気体溶解装置
【課題】たとえ入口部で気体が過剰に供給されていても、気泡が除去され、且つ気体を高い濃度で均一に溶解した気体溶解液を、大幅に省エネルギー化して製造できるようにする。
【解決手段】 通路内を流動する液体に気体を注入する気体注入部１０と、気体注入部１０の下流側に配置され、液体に気体を注入した気液混合液に圧力を加える加圧部１４と、加圧部１４の下流側に配置された回転空間３２と、回転空間３２の回転軸心の近傍位置と外部空間及び／または加圧部１４の上流側の通路とを連通する連通部５２，５４を有する。
【解決手段】 通路内を流動する液体に気体を注入する気体注入部１０と、気体注入部１０の下流側に配置され、液体に気体を注入した気液混合液に圧力を加える加圧部１４と、加圧部１４の下流側に配置された回転空間３２と、回転空間３２の回転軸心の近傍位置と外部空間及び／または加圧部１４の上流側の通路とを連通する連通部５２，５４を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水等の液体に空気等の気体を溶解させて、単位質量当りについて所望の気体の溶解濃度を増加させた液体を製造する気体溶解装置に関する。本発明の気体溶解装置は、例えば、使用環境下において過飽和状態にまで気体を溶解させた液体を、河川、湖沼または養殖用水槽等に供給することにより、水中の溶存酸素量を高めて水質を改善し、種々の有用な生物が繁殖しやすくしたり、オゾンの溶解度を高めたオゾン水など、医療等に用いるために有益な気体を溶解させた液体を製造したりするのに用いられる。本発明において、溶解濃度とは、ある物質（溶質）が他の物質（溶媒）に実際に溶解している溶液中における溶質の濃度のことを言う。これは、溶解度と言う用語の意味が“溶質が溶媒に溶解する限度を言い、飽和溶液中における溶質の濃度で表わされる”ことと、区別するためである。
【背景技術】
【０００２】
液体の酸素等の気体溶解濃度を増加させるための装置として、例えば、液体をポンプで供給して加圧するとともに、気体を液体に混入して溶解させた後に、吐出ノズルに設けたメッシュや多孔板によって、液体を急激に減圧させて微細な気泡を発生させるようにしたものが知られている（特許文献１〜４等参照）。これらは、最終的に微細気泡が混在する液体を得るために、予め気体の液体中での溶解濃度を高めておくという技術であって、例えば、エジェクタなどを用いて気体を微細化された気泡として液体中に取り込んだ後、高圧に保たれた気体溶解タンクなどを用いて液体中に気体を溶解させるようにしている。
【０００３】
これらの技術は、いずれも気体の溶解濃度を高めた液体を得たり、微細気泡が混在する液体を得たりするための技術であって、液体中の気体溶解濃度を増加させるための装置において、その省エネルギー化を図った技術ではない。
【０００４】
一方、例えば酸素を大量に溶解した水を効率よく、即ち、相対的に少ない投入エネルギーにより生成することができれば、河川や湖沼の水質改善が一層実施し易くなり、環境改善を図ることができる。このような効果を奏する為には、必ずしも酸素を気泡として供給する必要はなく、水中での酸素の溶解濃度（溶存酸素量）を高めればよい。従来、このような有用な気体を対象として、必ずしも気泡発生に至ることを要件とすることなく、専らそれら気体の液体中への溶解濃度を増大することを目的とした装置について十分な開発が成されているとは言えず、従って、そのような気体溶解装置の省エネルギー化について開示している文献も極めて少ない。
【０００５】
気体を液体に加圧溶解させ、その後、微細気泡を発生させるタイプの微細気泡発生装置では、気体を溶解させた液体中に気泡が混ざった状態のまま、即ち気体が液体中に残留した状態のまま、例えば外部の水槽への微細気泡発生機構を備えた吐出口に液体を導くと、吐出される流体中の微細気泡の発生量が少なくなってしまう。そのため、特許文献２においては、気泡の混在した液体がリリーフ弁の付いたタンク（気体溶解装置）を通過するように流路を構成することで、高圧下において気体を液体に溶解させるとともに、溶解されずに気体のまま残留した余剰気体を大気に排出して、気体が溶解した液体のみを吐出口に導くようにしている。また、特許文献４においては、気液溶解タンクの下流側配管を流れる液体中に気泡の状態で（液体に溶解することなく）残留している気体を気体分離部により分離して収集し、この収集された気体を、戻し管を介してエジェクタで吸引して再度気液溶解タンクに導いて液中に溶解させるように構成するとともに、外部にある水槽に、少なくとも大きな気泡が混入しないようにしている。
【０００６】
なお、膜分離装置等において、エネルギー回収、即ち動力回収を図ったものとして、ポンプと水車を直結してエネルギーを回収することが開示されている（特許文献５参照）。
【特許文献１】特開２００２−８６０１８号公報
【特許文献２】特開２００３−２６５９３８号公報
【特許文献３】特開平４−２９５３６１号公報
【特許文献４】特開２００１−３４７１４５号公報
【特許文献５】特開平８−２９４６１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
静止した液体に気体を溶解させるためには、一般的に多くの時間が必要である。このため、気体が液体に溶解する速度を増すために種々の方法が採られている。気体が液体に溶解する速度は、液体の気体に対する溶解度と気液界面から離れた液体中に現に溶解している気体の溶解濃度との差に比例し、気液界面の液体は、溶解度まで気体を溶解しており、且つ液体に溶解する気体の溶解度は、気体の圧力に比例して増加する。このため、気体が液体に溶解する速度は、気体の圧力が高いほど速くなる。また、気体と液体の界面面積が大きいほど、気体が液体に溶解する速度は速くなる。このように、気体が液体に溶解する速度は、一つ目には溶解度と気液界面から離れた位置にある液体中に現に溶解している気体の溶解濃度との差に、二つ目には気体の圧力に、三つ目には気体と液体の界面面積にそれぞれ比例的に増加するので、気体の液体中の溶解濃度も増加する。
【０００８】
そこで、まず気体の入った液体の圧力を高めることで、気体が液体に溶解する速度を上げることができる。この場合、気体の圧力を上げるとともに、液体の圧力も同時に上げることとなる。また、気体が液体に溶解する速度は気液界面の面積に比例する。液体に対する気体の量を多くしたり、液体に混入する気泡の径を小さくして気泡の個数を多くしたりすることで、気液界面の面積を増すことができ、さらに気体と液体を撹拌することで、気体と液体の混合を良くすることができる。
【０００９】
気体及び液体の圧力を高めて溶解濃度を増加させる気体溶解装置においては、短時間に高速に気体を液体に溶解させるために、加圧部の上流で液体に入れる気体の量を液体に対して過大にすると、加圧後においても液体に溶解させることができなかった気体が液体中に残留し、これが吐出側の、例えば外部の水槽に吐出されてしまう。このように、気体溶解装置の気体溶解液の出口においても、液体に溶解されずに気体の状態で気体が残留している場合には、気体溶解装置の外部水槽への吐出部に、例え微細気泡発生機構が構成されていたとしても、微細気泡の発生量は少なくなり、大きな気泡が発生し易くなるという現象が生じる。このため、例えば、外部の水槽に気体溶解液を吐出するノズルより上流にある場所において液体に溶解していない余剰気体を取除く必要がある。
【００１０】
ここで気体溶解装置と言う表現の意味について説明する。例えば、特許文献１に示す微細気泡発生装置では、循環ポンプにより水槽から液体を吸引しエジェクタに向けて吐出するとともに、気体を液体に混入して気液溶解タンクで溶解させ、気体を溶解した液を水槽に向けて吐出管で導く構成としており、これは、上記で述べた気体溶解装置なる用語が内包する意味の一つの具体例である。即ち、特許文献１に記載の装置によれば、吐出管において既に気体を溶解する液体が得られているので、ここまでの構成で気体溶解装置が形成されている。特許文献１に記載の装置は、気体溶解装置の吐出部に、更に微細気泡を発生させるためのノズル本体を配置しているので、装置全体としては、気体溶解装置にとどまらず、加圧溶解式微細気泡発生装置となっている。
【００１１】
従来の上記の微細気泡発生装置及び気体溶解装置のうち、特許文献１に示す装置にあっては、気体を液体に溶解する加圧タンク（気体溶解タンク）の気体の量（水位）を測定するセンサや、加圧タンクの上流において混入する気体の量をコントロールする制御部が必要となって、部品点数の増加に繋がる。特許文献２に示す装置にあっては、リリーフ弁の付いたタンク（気体溶解装置）を通過させて気体を液体に溶解させるとともに、高圧部で余剰気体を外部に排出するようにしており、この場合、例えば特許文献１において必要とした水位センサや制御部が不要となるものの、リリーフ弁を設ける必要があり、やはり部品が多くなる。
【００１２】
また、特許文献３や特許文献４に示す装置のように、気体と液体を分離する機能を持つタンクから気体を配管で加圧タンク（気体を液体に溶解させるためのタンク）の上流に戻すようにした場合、気体を液体に溶解する加圧タンク内の気体の量が多くなり過ぎると、外部の水槽に気体が大きな気泡として排出される。これを防ぐためには、特許文献１に示すように、気体を液体に溶解する加圧タンク（気体溶解タンク）の気体の量（水位）をセンサを用いて測定して、該加圧タンクの上流において混入する気体の量をコントロールする必要があり、装置が複雑になる。
【００１３】
更に、上記各従来例にあっては、地上の重力によって生じる気泡にかかる浮力で液体に溶解していない気泡を取除くようにしているため、気泡の分離が悪く、液体から気泡を完全に取り除けない恐れがある。しかも、液体と気体を加圧して気体を液体に溶解させた後に、液体の吐出部に設けた吐出ノズル内のメッシュや多孔板によって、液体を急激に減圧させて液体中に微細な気泡を発生させているため、液体吐出部で非常に大きな損失が発生している。
【００１４】
本発明は、余剰気体を加圧タンクの外部へ自動的に排出ためのリリーフ弁や、加圧タンク内の水位を検知して加圧タンクの外部から入る気体の量を加圧タンク内の水位に合わせてコントロールする制御部を備える必要を無くし、気体注入口で気体を過剰に注入しても液体中の気体の溶解濃度は所定の値に維持され、且つ気体の当該過剰分が気体溶解装置の吐出口から吐出されることの無いようにしたものである。
【００１５】
上記のように、最終的に気泡、特に微細気泡を発生させる装置は、従来、主として微細気泡を発生する段階においてエネルギー損失が大きく、換言すれば、気泡を生成するために投入されるエネルギーを回収することができず、このため、省エネルギー化が困難であった。他方、前記のように、必ずしも気泡発生を伴うことなく、例えば酸素等の有用な気体の液体中での溶解濃度を高めるだけで良い場合もある。
【００１６】
本発明は上記事情に鑑みて成されてもので、余剰気体を加圧タンクの外部へ自動的に排出するためのリリーフ弁や、加圧タンク内の水位を検知して加圧タンク外部から入る気体の量を加圧タンク内の水位に合わせてコントロールする制御部を備える必要を無くし、液体への気体の溶解速度を速くし、溶解していない気体（即ち気泡）を十分に除去し、かつ気体注入口で気体を過剰に注入しても当該気体の過剰分が気体溶解液と共に気体のまま吐出されること無く、液体の気体溶解濃度を所定の値に維持でき、しかも装置に投入した機械的エネルギーを回収することにより損失の抑制を図り、もって気体の溶解濃度の大きい有用な、例えば水などの液体を製造するための省エネルギー化された気体溶解装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上述したように、気体が液体に溶解する速度は、一つ目には溶解度と気液界面から離れた位置にある液体中に現に溶解している気体の溶解濃度との差に（気液界面における液中には気体が溶解度まで溶解している）、二つ目には気体の圧力に、三つ目には気体と液体の界面面積にそれぞれ比例的に増加する。一般的に言って、液体中に当初気泡として存在した気体は、時間が経過するにつれて液体に溶解して液体中の気体の溶解濃度が増加し、気液界面から離れた位置にある液体中に現に溶解している気体の溶解濃度との差が少なくなる。また気泡が小さくなって気体と液体の界面面積が小さくなるため、気体が液体に溶解する速度は時間が経過するにつれて遅くなる。
【００１８】
図１に、一例として、空気泡が水に溶解していくときの気泡径と気泡体積の時間変化を示す。絶対静圧が０．４ＭＰａの場合、空気は体積組成として酸素が２０．９％で、窒素が７９．１％とし、最初水中に空気その他の気体が全く溶解していない状態から、空気中の窒素により水がほぼ飽和するために必要な初期気泡ボイド率θ１maxは１．６７８％となる。本発明で気泡ボイド率とは、気体と液体とが完全に均一に（それぞれ気相、液相のままで）混合した流体のある一定体積に占める気体（気泡）の体積のことを言い、気体と液体の混合物に占める気体の体積の割合である（なお空気として前記組成を仮定したので、先に飽和状態に達する窒素について考察した）。
【００１９】
図１は、初期気泡ボイド率θ１の最大値θ１max＝１．６７８％から、θ１maxの５０％である初期気泡ボイド率θ１＝０．８３９％までの間の４通りで、水中に空気その他の気体が全く溶解していない状態からの気泡径と気泡体積の時間変化を示す。気泡の体積が初期体積の０．４倍に減少する、すなわち体積の６割が液体に溶解するのに要する時間は、初期気泡ボイド率θ１＝０．８３９％からθ１＝１．６７８％の範囲で約４０秒とほぼ同一である。これに対して、例えば初期気泡ボイド率がθ１＝１．６７８％のときは、気体が水に完全に溶解するまでに８０５秒かかり、初期気泡ボイド率がθ１＝０．８３９％のときは２５５秒かかる。すなわち、気体を液体に完全に溶解させるための時間を短縮するためには、液体に混入する気体の初期気泡ボイド率を比較的小さい値に抑えることが効果的であることが判る。
【００２０】
一方、気体が液体に溶解する速度は、気液界面の面積に比例する。このため、液体に混入させる気泡の大きさが同じであれば、液体に混入させる気体の量を増すと、気液界面の面積が増加し、短時間で気体が液体に溶解する量は増加する。しかし、液体に混入させる気体の量を増すと、例えば気体を含む液体を加圧して気体を液体に溶解させる溶解装置においては、その溶解装置の減圧部の入口において、溶解せずに残った気体が存在するようになり、溶解せずに残った気体が溶解装置の出口から大きな気泡として吐出されてしまう可能性が大きい。
【００２１】
液体中に大きな気泡と小さな気泡がある場合、気泡に作用する液体の表面張力のために、小さな気泡の方が気泡内の圧力の上昇が大きくなり、小さな気泡内の気体の方が大きな気泡内の気体より液体に溶解し易くなる。この結果、小さい気泡の周りにおける液体中に溶解した気体の溶解濃度の方が、大きな気泡の周りにおける液体中に溶解した気体の溶解濃度より高くなる。そして、小さい気泡の周りの液体が大きな気泡の周りへ、例えば拡散して移動して、大きな気泡の周りの液体における気体の溶解濃度が、大きな気泡内の圧力に対応する飽和溶解濃度（溶解度）より高くなると、液体中に溶解していた気体が大きな気泡内へ気体として放出されて大きな気泡が更に大きくなる。このため、気泡径が互いに大きく異なる気泡が混在すると、小さい気泡が大きい気泡に次々と統合されてしまう。そのため、気体溶解装置の内部では加圧部の入口から減圧部の入口に至るまで、いずれの場所においてもある気泡の気泡径がその周辺に存在する他の気泡の気泡径と大きく異なるような、即ち相対的に大きい気泡が存在しないようにするのが良い。また、減圧部の入口においては、液体中に気泡が残ることが無いようにする必要がある。
【００２２】
気体が液体に溶解する速度は気体の圧力に比例する。そのため、本発明では、まず、気体を混入した液体を加圧部を用いて加圧して気体の液体中への溶解速度を増し、単位質量の液体当たりに溶解する気体の量を増加させている。液体を加圧する加圧部としては、ターボ形のポンプ、渦流ポンプまたは回転通路が好ましく用いられる。また、気体を混入した液体が加圧されている時間が長いほど液体中への気体の溶解が進み、液体中の気体の溶解濃度が高くなる。このため、加圧部のすぐ下流に更にタンクを設けるようにしてもよい。
【００２３】
次に、減圧部の入口で未だ液体に溶解していない余剰気体を取除くため、換言すれば、未溶解の気体が減圧部の入口まで至ることの無いようにするため、本発明では、加圧部（例えば、ターボ形のポンプ、渦流ポンプまたは回転通路など）の下流側に回転空間を設けるとともに、連通部を設けている。この連通部は、回転空間の回転軸心の近傍位置にその一端を開口させ、他端は加圧部の上流側通路及び気体溶解装置の外部空間の少なくとも一方に開口させている。これにより、加圧部に流入して加圧された後、または加圧後の高圧状態下に一定時間保持された後であって、もしも効果的対策がとられない場合に減圧部の入口で未だ気泡として残留していたはずの気体を回転空間から抽出し、連通部を経由して外部に排出するか、または、例えば高価な気体である場合には再度液体に溶解させるべく、加圧部の上流側の通路に導き、そこで液体中に混入させる。
【００２４】
本発明で余剰気体とは、気体を混入された液体が加圧部に流入して加圧された後、または加圧後の高圧状態下に一定時間保持された後においてもなお液体に溶解せず気泡の状態で存在する気体のことを意味している。この余剰気体は、連通部を経由して、例えば大気中に放出させられるか、または必要に応じて加圧部の上流側の通路に戻され、再度液体中に溶解させるべく再循環させられる。
【００２５】
回転容器内では液体が回転すると半径方向に圧力勾配が発生する。本発明で回転容器とは、ターボ形ポンプや水車の羽根車、回転空間または回転通路などのような一定の中心回りを回転する構造体を指す。回転している液体中に気泡がある場合、気泡には回転の中心方向に浮力が作用する。気泡を球形と仮定して、気泡の半径をＲ、気泡の抗力係数をＣｄ、液体の密度をρｆ、液体の絶対静圧をｐ、回転容器の回転中心を中心としたときの当該気泡の中心の半径方向の座標をｒ、回転容器内で気泡が回転の中心方向に進む際の回転の半径方向の分速度であって、該回転の半径方向の液体の分速度に対する相対速度をＵｂ,ｒ０とすると、気泡が回転の中心方向に進もうとする浮力と、気泡が回転の中心方向に進むのを妨げる抗力との釣合は次の式（１）で表される。
【数１】
【００２６】
いま、一例として、液体が回転容器と同じ回転速度で回転する場合、液体の回転角速度をω、回転中心の絶対静圧をｐ０とすると、液体の回転容器の半径方向の圧力勾配は式（２）で、圧力は式（３）で表される。
【数２】
【数３】
【００２７】
一方、地球上で静止した液体中に気泡がある場合、鉛直下向き方向の座標をｚ、重力加速度をｇ＝９．８ｍ／ｓ２、静止した液体中を気泡が上昇する速度をＵｂ,ｓｔとすれば、気泡が鉛直方向上向きに進もうとする浮力と、気泡が鉛直方向上向きに進むのを妨げる抗力との釣合は次の式（４）で表される。なお気泡を構成する気体の密度は実質的には問題とならないから、式（４）ではこれを無視している。
【数４】
【００２８】
したがって、式（１）、式（２）及び式（４）から、地球上で静止した液体中を気泡が上昇する速度Ｕｂ,ｓｔに対する、回転容器内で気泡が回転の中心方向に進む際の液体に対する前記相対速度Ｕｂ,ｒ０の比は次の式（５）で表される。
【数５】
なお、回転速度をＮｒｐｍとすると、回転角速度は ω＝２πＮ／６０である。
【００２９】
通常良く用いられる回転速度Ｎ＝１５００ｒｐｍの場合、半径０．３９７ｍｍ以上で静止液体中より回転容器内の液体中の気泡の分離速度（気泡の液体に対する相対速度）の方が速くなり、半径０．１ｍでは１５．９倍になる。回転速度Ｎ＝３０００ｒｍｐの場合は、半径ｒ＝０．０９９３ｍｍ以上で静止液体中より回転容器内の液体中の気泡の分離速度の方が速くなり、半径０．１ｍでは３１．８倍になる。換言すれば、気泡に働く浮力は、静止液体中より回転する液体中の方が圧倒的に大きいため、回転する液体中の気泡は、静止液体中より高速で液体中を移動し分離されることとなる。一般的に使用されている、例えばターボ形ポンプの寸法を想起すれば、浮力による静止液体中の気泡の分離速度と回転する液体中の気泡の分離速度とが等しくなる半径０．３９７ｍｍ及び０．０９９３ｍｍは十分に小さい。このため、ほぼ全ての領域で静止液体中より回転容器内の液体中の気泡の分離速度の方が速くなる。したがって、従来の静止液体中において行う余剰気体を分離する方法より、十分かつ速やかに余剰気体の分離を行えるようになる。
【００３０】
液体が回転している場合、液体中の気泡は、液体に対して液体の回転中心の方向に進む。このため、気泡が液体に対して回転中心の方向に進む速度より速く液体が半径方向外向きに進めば、気泡は、液体によって半径方向外向きに搬送される。例えば、加圧部をポンプで構成した場合、このポンプのインペラ内において、液体に対する気泡の回転中心方向の速度より速く液体を半径方向外向きに流せば、気泡は、インペラ入口に留まることなく、液体によって半径方向外向きに搬送され、インペラの上流で液体に混入させた気泡を高圧な領域に進ませることができる。一方、回転空間内では半径方向外向きの液体の流れを気泡が液体に対して回転中心の方向に進む速度より遅くすることによって、気泡は液体に押し流されることなく回転空間の回転中心近傍に留まるから気泡は液体から分離される。
【００３１】
上述のように、従来のように重力を利用する方法に比べ、回転空間内で気泡分離を行うと余剰気体の分離速度がより速くなるため、気体溶解装置の加圧部の出口、またはタンク出口で吐出される液体中に含まれる気泡が十分に分離され、回転空間の下流には気泡がなくなる。したがって減圧部の入口では気泡は無い。
【００３２】
減圧部の上流側に位置する回転空間の外周部に邪魔板を配置すると、加圧部にて加圧された、または加圧後の高圧状態下に一定時間保持された気液混合液は、回転空間の半径方向外側（回転中心から遠い側）から回転空間に流入し、回転中心近傍で反転して再び半径方向外側に向かって流動して減圧部の入口に至る。このとき、即ち気液混合液が半径方向外側に向かって流動するとき、液体中の気泡に働く液体の流動による抗力（回転半径外側向きの力）が浮力（回転半径内側向きの力）よりも小さくなるように回転通路の流路寸法などを形成しておけば、液体中の気泡は液体に同伴して流れることなく、回転空間内部の回転軸心近傍にとどまり、連通部を経由して抽出、除去される。
【００３３】
本発明では、気体が溶解した液体を気体溶解装置の外部に吐出する前に該気体溶解装置内に設けた減圧部を通過させるように構成し、このときに、当該減圧部により、加圧部に加えられた力学的エネルギーが回収されるように構成している。
【００３４】
なお、液体に溶解した気体は、液体と気体の分子の境界にζ電位が発生するため、気体分子の群同士が電気的に反発し、合体しづらくなる。このため、局所的な圧力低下がない限り、気体溶解装置の外部に吐出されるまで気泡として、即ち気相状態として現れにくくなる。このようにして、有用な気体を多く溶解した、即ち溶解濃度として大きく含有した液体を少ない投入エネルギーで製造することができる。
【発明の効果】
【００３５】
本発明によれば、例え入口部で気体が過剰に供給されていても、気泡が除去され、且つ気体を高い濃度で均一に溶解した気体溶解液を、大幅に省エネルギー化して製造することが可能な気体溶解装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図２は、本発明の実施の形態の気体溶解装置の概要を示す断面図である。この例は、加圧部及び減圧部として、共にターボ形回転機械、つまり加圧部としてポンプを、減圧部として水車をそれぞれ用いている。図２に示すように、この気体溶解装置は、通路内を流れる水等の液体に空気等の気体を注入する気体注入部１０を備えた吸込管１２と、この吸込管１２に接続され、液体に気体を注入した気液混合液（気液混合流体）を加圧して気体の液体中への溶解を促進する加圧部としてのポンプ１４と、気体が溶解した気体溶解液を減圧させて外部に吐出する減圧部としての水車１６を有している。
【００３７】
ポンプ（加圧部）１４は、ケーシング２０内に配置されたインペラ（羽根車）２２を有しており、水車（減圧部）１６は、ケーシング２０内に配置されたランナ（羽根車）２４を有している。そして、水車１６側から延びる回転自在な主軸２６の先端にインペラ２２の主板２８が、主軸２６のインペラ２２の主板２８と所定間隔離間した位置にランナ２４の主板３０がそれぞれ取付けられ、両主板２８，３０の間に回転空間３２が設けられている。これにより、主軸２６の回転に伴って、ポンプ１４のインペラ２２、水車１６のランナ２４及び両主板２８，３０で挟まれた回転空間３２が一体に回転する回転容器３４が構成されている。インペラ２２の主板２８には羽根３６が、ランナ２４の主板３０には羽根３８がそれぞれ取付けられている。
【００３８】
ポンプ１４の内部には、吸込口１４ａから気液混合液が吸込まれ、水車１６から吐出された気体溶解液は、吐出口１６ａから外部に吐出される。インペラ２２の主板２８の外周端面と該外周端面が対面するケーシング２０との間には、ポンプ１４のインペラ２２の外周よりも下流側の流体通路と、回転空間３２の上流側の流体流路とを仕切って、ポンプ１４側から回転空間３２側への液体の漏れを防止する仕切り板（ライナリング）４０が設けられている。
【００３９】
回転空間３２は、回転容器３４の外周端部から内方に延びる平板リング状の邪魔板４２によって、ポンプ側回転空間３２ａと水車側回転空間３２ｂに区画され、主軸２６側で互いに連通する横断面Ｕ字状に形成されている。ポンプ１４の流体出口とポンプ側回転空間３２ａの流体入口は、外部通路４４を介して互いに連通されており、この外部通路４４の一部には、断面積を拡大したタンク（断面積拡大部）４６が設けられている。更に、水車側回転空間３２ｂの流体出口と水車１６の流体入口は、内部通路４８を介して互いに連通されている。ケーシング２０と主軸２６との間はシール材５０でシールされている。
【００４０】
主軸２６の内部には、回転空間３２の主軸２６側最深部（回転軸心の近傍位置）で一端を開口し、軸心に沿って吸込管１２の方向に延びて、ポンプ１４の吸込口１４ａ付近で他端が開口する第１連通部としての連通孔５２が設けられている。更に、外部から吸込管１２の内方に延び、鉤状に屈曲し連通孔（第１連通部）５２の開口端に向けて開口する第２連通部としての気体排出管５４が備えられ、この気体排出管（第２連通部）５４の開口端部には、連通孔５２の周囲を囲繞する外管５６が連結されている。
【００４１】
これにより、この例では、気体排出管５４の屈曲部５４ａと吸込管１２との間に、流路断面積を減少させて背後の圧力を減少させる絞り部５８が形成され、連通孔５２は、この絞り部５８の背後の圧力が減少した所で開口するようになっており、更に、外管５６の内部に連通孔５２と連通する気体循環口６０が設けられている。気体排出管５４には、流量調整弁６２が設けられている。
【００４２】
この例では、連通孔（第１連通部）５２と気体排出管（第２連通部）５４で、回転空間３２内の液体（気体溶解液）中に含まれる余剰気体（気泡）を入口流路に戻して循環させる機能と、この余剰気体を外部に排出する機能の双方の機能を有する連通部が構成されている。なお、連通孔５２のみで、回転空間３２内の液体中に含まれる余剰気体を循環させる機能のみを有する連通部を構成したり、連通孔５２と気体排出管５４とを、例えば図示しないシール部を介して連結して、余剰気体を外部に排出する機能のみを有する連通部を構成したりしてもよい。
【００４３】
これにより、主軸２６の回転に伴って、回転容器３４、すなわちポンプ１４のインペラ２２、水車１６のランナ２４及び両主板２８，３０で挟まれた回転空間３２が一体に回転する。このポンプ１４のインペラ２２の回転に伴って、吸込管１２内を流れ、気体注入部１０から気体を注入した液体（気液混合液）が吸込口１４ａからポンプ１４の内部に吸込まれ、インペラ２２で昇圧されてポンプ１４から吐出される。このように、気液混合液が昇圧されることで、気液混合液中の気体の液体中への溶解が促進される。加圧された気液混合液は、ポンプ１４を出て外部通路４４のタンク４６内に流入し、このタンク４６内に所定時間滞留する。これによって、気液混合液中の気体が液体中に溶解する。
【００４４】
この気体が液体中に溶解した気体溶解液は、回転空間３２の回転に伴って、外部通路４４からポンプ側回転空間３２ａに流入し、回転空間３２に沿って流れて、水車側回転空間３２ｂから流出する。この時、液体（気体溶解液）中に溶解せずに気泡として残った気体が液体から分離、抽出される。従って、水車側回転空間においては、気体溶解液中に気泡は含まれない。そして、水車側回転空間３２ｂから流出した液体（気体溶解液）は、水車１６のランナ２４の回転に伴って、内部通路４８から水車１６の内部に吸込まれ、ランナ２４を通過するときに減圧されると共に、ランナ２４により気体溶解液から力学的エネルギーが回収されて、水車１６の吐出口１６ａから外部に吐出される。吐出口１６ａから外部に吐出された気体溶解液は、例えば過飽和状態にまで気体が溶解された液体として使用される。
【００４５】
ここで、回転空間３２内の外周に邪魔板４２を設け、気体を溶解させた液体が水車１６の入口に短絡しないようにすることで、液体中に気泡として残っている余剰気体を液体から完全に排出することができる。即ち、タンク４６内で気体を溶解した液体は、邪魔板４２によって軸方向に区画されたポンプ側回転空間３２ａに流入して、半径方向の中心側に向かって流れる。このため、この時、液体中に気泡があれば、その気泡には周囲の液体から回転軸心の中心側に向く浮力が作用し、これによって、気泡は回転空間３２の軸心近傍に集まる。その後、液体は、回転空間３２の主軸２６の近傍で折り返し、半径方向外側に向けて流れ、水車側回転空間３２ｂから内部通路４８を経て水車１６側に流出する。水車側回転空間３２ｂを半径方向外側に向かって流れる液体により気泡に加わる抗力の向きは半径方向外向きだが、この抗力の値が浮力よりも小さいので、一旦回転空間３２の中心に集まった気泡は、そこに滞留して下流に向けて流出することはない。
【００４６】
そして、回転空間３２の主軸２６の近傍に集まった気泡（即ち余剰気体）は、連通孔（第１連通部）５２を通ってポンプ１４の上流に戻されて再度循環させられるか、または更に気体排出管（第２連通部）５４を通って外部に排出される。
【００４７】
なお、水車１６のランナ２４の主板３０は、回転空間３２の内の軸心近傍に集まった液体中の気泡を外部に吐出させない役割を果たすため、この主板３０として、内部に貫通孔のない平板状のものが使用される。つまり、この主板３０の特に軸心近傍に穴が貫通していると、液体中に気泡は、その穴を通ってランナ２４の下流に流入し、そのまま出口から吐出されてしまう可能性がある。
【００４８】
この例によれば、ある一定の寸法範囲内で適切な大きさに揃えられた気泡を均一に分散させて混入させた気体混合液を、吸込口１４ａからポンプ（加圧部）１４に供給すれば、液体は、ポンプ１４で素早く加圧されるので、ポンプ１４の出口である高圧下（例えば、タンク４６内）においても、気泡の寸法の均一性、分散の均一性は保たれる。したがって、気体が液体中に溶解し易い環境が形成される。こうしてポンプ１４を出た後、液体中への気体の溶解はどこも均一に進行する。したがって、例えば、気体溶解濃度が相互に異なる液体の混在による、前述したような、気泡の寸法的成長（大きな気泡ができてしまう）などの不具合を良好に抑制できる。
【００４９】
気体の液体に対する量が過剰であり、気泡として気体が液体中に残留した場合には、回転空間３２に形成された気泡分離機構により、液体中の余剰な気体は液体から抽出されて除去される。これにより、水車１６の吐出口１６ａにおいて、気泡がなく気体溶解濃度の高い液体を得ることができる。なお、気体溶解装置の下流に従来の微細気泡発生装置において用いられている多孔質体や金網や多孔板等の減圧のための抵抗体を配置し、気体溶解液を通過させることで、均一な大きさの微細な気泡を得るようにすることもできる。
【００５０】
回転容器３４の絶対静圧分布の一例を、回転容器３４の主軸２６の中心における絶対静圧をほぼ大気圧で０．１ＭＰａ、液体が水で密度ρｆを１０００ｋｇ／ｍ３、回転速度を通常よく用いられる１５００ｒｐｍ及び３０００ｒｐｍとし、式（３）を用いて求めて図３に示す。図３に示すように、回転容器３４内の絶対静圧は、軸中心（回転中心）から外周に向けて急速に高圧になる。したがって、気泡が略均一な大きさで均一に分散して混入された液体の圧力を素早く上昇させることができ、これによって、昇圧後においても、気泡寸法の均一性や分散の均一性を維持した状態で液体を昇圧することができる。
【００５１】
この例において、液体に溶解させることができない余剰空気を、回転空間３２で自動的に液体から抽出して除去し、これによって、吐出口１６ａから、気泡が無く、かつ気体溶解濃度が高い液体を吐出させることができる理由を以下に説明する。
【００５２】
ポンプ（加圧部）１４の入口近傍での気体の混入した液体の静圧の値（ａ）と、ポンプ１４の出口側、例えばタンク４６における静圧の値（ｂ）と、回転空間３２の中で静圧が最小となる部分である軸心近傍での静圧の値（ｃ）と、出口部における静圧の値（ｄ）との相互関係、即ちこれらの４ヶ所における静圧の値（ａ）〜（ｄ）の相互関係を、液体中の余剰気体が外部へ好ましく抽出し排除できるような値に決める。特に、回転空間３２内の主軸２６の近傍での静圧の値（ｃ）の決定が重要である。
【００５３】
次に、液体から分離、抽出した余剰気体を大気中に排出する場合について述べると、ポンプ（加圧部）１４の入口近傍での気体の混入した液体の静圧の値（ａ）と、出口部での静圧の値（ｄ）を大略大気圧に等しくする。また、回転空間３２の中で静圧が最小になるのは、回転空間３２内の回転中心からの半径方向の距離が最小となる位置であることを考慮して、静圧の値（ｃ）が大気圧よりも所望の値だけ高くなるように、回転空間３２における余剰空気抽出口の位置を定める。こうして、余剰空気抽出口の位置が回転空間３２中の最小の静圧となる場所であって、そこの静圧の値が大気圧よりも所望の値だけ高ければ、余剰の気体を余すことなく液体から抽出し除去できる。タンク４６での静圧の値（ｂ）は、出口から吐出される液体中に溶解される気体の溶解濃度が所望の値となるように選べばよいのであって、余剰空気の抽出機能と直接の関係はない。
【００５４】
上記説明において、回転空間３２内での余剰気体を液体から抽出するための位置は、静圧の値（ｃ）が回転空間３２の中で最小となる部分である旨述べたが、一般的には、必ずしも静圧の値（ｃ）が最小となる場所でなくても良い。例えば、ポンプ１４の吸込口１４ａから水車１６の吐出口１６ａに至るまでの液体の流路において、流路を横軸とし縦軸に流路の各位置における静圧の値を採用した２次元のグラフを考えたときに、静圧の値が極小となる部分が（例えば、回転空間を軸方向に２つ直列に配置した場合のように）２箇所以上あれば、そのうち１箇所または複数箇所から液体中の余剰空気を抽出するように構成しても良い。このような場合は、静圧が極小の値となる場所とは言えるが、必ずしも最小の値となる場所ではない。さらに、静圧が回転空間の中で最小または極小となる位置から液体中の余剰気体を抽出するように気体溶解装置を構成すれば、事実上完全に余剰気体を液体から排出できるということから好ましいが、もし吐出口において、吐出液の中に一定の割合で気泡を含んでいることを許すならば、回転空間３２内での余剰気体抽出の位置は、前記の位置に限られないことは勿論である。
【００５５】
上記の説明において、ポンプ（加圧部）１４の入口近傍での静圧の値（ａ）と、水車（減圧部）の出口における静圧の値（ｄ）とが大略大気圧に等しい場合を述べたが、これらの静圧の値が大気圧とは異なった値であっても、回転空間３２で液体中の余剰気体を外部に排出できる原理は同等である。このことは、上記静圧の値（ａ）や（ｄ）が大気圧よりも高い場合に容易に理解される。一方、上記静圧の値（ａ）や（ｄ）が大気圧よりも低い場合においても、外部への余剰気体の排出口を、例えば流量調整弁６２を経由して真空ポンプにより圧力を低く保った容器（図示せず）に接続し、余剰気体を該容器に導き真空ポンプを運転することで、余剰気体の排出を行うことができる。
【００５６】
以上説明したように、この気体溶解装置によれば、気液分離のための制御装置などの機構が必要なく、余剰気体を自動的に気体溶解装置の外部に排出することができるから、気泡が無く所望の気体溶解濃度を有する液体を得ることができ、気体溶解装置の構成も簡素化できる。
【００５７】
この例にあっては、上記説明において回転空間３２内の液体から抽出し除去した余剰気体を、連通孔（第１連通部）５２及び気体排出管（第２連通部）５４を介して、大気中に排出させるか、またはその余剰気体の一部または全部を再度ポンプ１４の入口に戻し液体に混入させることにより、当該気体を液体中に再循環させて溶解させるようにしている。
【００５８】
例えば、液体が水、液体に混入する気体が空気で、空気中の酸素を水に溶解したい場合、窒素より酸素の方が水に溶解しやすいため、ポンプ（加圧部）１４を出た後に水に溶解せずに残っている気体中の酸素の割合は、初期混入時における気体中の酸素の割合より低くなる。このように、気体中の窒素の割合が増すため、液体中の残留気体を再循環させて用いることなく外部に排出し、ポンプ１４の上流で新鮮な空気を水に混入した方が、水中の酸素の溶解は速くなる。一方、例えば、液体に混入する気体が、純酸素、オゾンまたは二酸化炭素のように、高価な気体であったり、大気中に放出しない方が良い気体であったりする場合は、液体中に溶解せずに残っている気体を再度循環させて利用することが望ましい。
【００５９】
この例によれば、気体排出管（第２連通部）５４に設けた流量調整弁６２を開放することで、回転空間３２内の液体から抽出し除去した余剰気体の一部または全部を大気中に排出させ、流量調整弁６２を閉じることで、余剰気体を再度ポンプ１４の入口に戻し液体に混入させることで、上記要請に答えることができる。
【００６０】
次に、この気体溶解装置によれば、動力回収ができるとともに、微細気泡を発生させることを要件としないため、それに関する損失がなく、省エネルギー運転が可能であることを説明する。
【００６１】
ポンプ（加圧部）１４のインペラ２２または水車（減圧部）１６のランナ２４において、ポンプ１４または水車１６に入る流体の単位質量当りの角運動量をＩ１、ポンプ１４または水車１６から出る流体の単位質量当りの角運動量をＩ２とし、回転体（インペラ２２またはランナ２４）の回転角速度をωとすると、流体中の角運動量の変化と回転体が必要な動力Ｌ、及び理論揚程Ｈｔｈの関係から、式（６）が成り立つ。
【数６】
ここに、ρｆは流体の密度、Ｑは流体の体積流量、Ｕ１及びＵ２はそれぞれ回転体の入口及び外周端の周速度、Ｃｕ１及びＣｕ２はそれぞれ回転体の入口及び外周端を通過する流体の周方向速度、ｇは重力加速度である。
【００６２】
下記の例のように、加圧部及び減圧部として回転通路を使用した場合、この回転通路（回転体）の入口部及び最外周部の周速度Ｕ１及びＵ２は次の通りとなる。即ち、回転通路とは、一定の回転軸心のまわりに回転する通路であって、通常、その入口部（流体吸込部）と出口部（流体吐出部）において、通路の中心が回転軸心と同一であり、入口部と出口部との間に、通路の中心が回転軸心から回転半径方向で最も離れた位置（最外周部）がある。
【００６３】
ここで回転軸心、即ち回転中心を中心として回転の半径方向の座標をｒとすると、回転通路の入口部の周速度Ｕ１は、前記入口部での通路の回転軸心に垂直な断面上において、中心から始めて半径ｒまでに通路内を通過する流体の質量流量を半径ｒに対して積分したときに、当該通路断面を通過する流体の全質量流量の半分となる半径における回転通路の周方向速度である。周速度がＵ１となる当該半径の一例を図５においてＲＴ１として示す。
【００６４】
回転通路の最外周部（回転中心から回転半径方向で最も離れた回転通路部）の周速度Ｕ２は、上記の通り回転軸心から最も離れた通路部分の回転軸心に垂直な断面上において、当該断面上に現れた通路の最も回転中心側（例えば図５においてＲ１で示している）から始めて半径ｒまでに断面内を通過する流体の質量流量を半径ｒに対して積分したときに当該断面を通過する流体の全質量流量の半分となる半径における回転通路の周方向速度である。周速度がＵ２となる当該半径の一例を図５においてＲT2として示す。
【００６５】
また図４には、回転通路の入口部及び最外周部それぞれの前記断面上において現れた通路の断面における質量流量の半径ｒに対する積分値が前記両部分共通に説明されている。例えば、回転通路の最外周部について述べると、図４の“通路断面における回転中心側半径”とは図５で示すＲ1であり、同様に“通路断面における回転外周側半径”とはＲ2である。また図４では、前記それぞれの断面において全質量流量の半分となる位置の回転中心からの回転半径方向距離即ち座標ｒの値がＲTとして示されている。従って、回転通路の回転角速度をωとすれば、周速度U１及びU２はそれぞれＲＴ１ω及びＲＴ２ωで示される。
【００６６】
回転通路（回転体）の入口部及び最外周部（回転中心から回転半径方向で最も離れた回転通路部）を通過する流体の周方向速度Ｃｕ１及びＣｕ２は、次の通りとなる。即ち、回転通路の入口部を通過する流体の周方向速度Ｃｕ１は、前記入口部での通路の中心、即ち回転軸心に垂直な断面上において、中心から始めて半径ｒまでに通路内を通過する流体の質量流量を半径ｒに対して積分したときに、当該断面を通過する流体の全質量流量の半分となる半径における回転通路内流体の周方向速度であり、例えば入口で流体に予旋回がなければ、回転通路の入口を通過する流体の周方向速度Ｃｕ１＝０（零）である。回転通路の最外周部（回転中心から回転半径方向で最も離れた回転通路部）を通過する流体の周方向速度Ｃｕ２は、上記の通り回転軸心から最も離れた通路部分の回転軸心に垂直な断面上において、当該断面上に現れた通路の最も回転中心側（例えば図５においてＲ１で示している）から始めて半径ｒまでに断面内を通過する流体の質量流量を半径ｒに対して積分したときに当該断面を通過する流体の全質量流量の半分となる半径における回転通路内流体の周方向速度である。
【００６７】
回転通路は、前記入口部から出口部へと向かう間において、分岐しその後再び合流するように構成しても良く、その場合には前記周速度Ｕ２、流体の周方向速度Ｃｕ２に関しては、分岐したそれぞれの回転通路に対して前記と同様に求めることが出来る。
【００６８】
式（６）において、回転体（インペラ２２またはランナ２４）が必要な動力Ｌが正の場合は、回転体に動力が与えられ、回転体から流体に角運動量が与えられて流体が加圧される。回転体が必要な動力Ｌが負の場合は、流体が回転体に角運動量を与え、回転体により動力が回収されて流体が減圧される。即ち、ポンプ（加圧部）１４のインペラ２２で流体に与えられた角運動量が、流体から角運動量として水車（減圧部）１６のランナ２４に返還される。これは、言い換えれば、ポンプ（加圧部）１４において流体に対して与えられたエネルギーが、流体から水車（減圧部）１６に返還されるということであり、これにより、動力が回収される。
【００６９】
なお、ポンプ１４の下流側であって、水車１６の上流側に、気泡が混入した液体を長時間に亘って高圧状態に維持するためのタンク４６を設けることにより、気体が一層多量に液体中に溶解し、その結果、気体溶解濃度の高い液体を得ることができる。また、タンク４６を経過してもなお液体中に気泡が残っている場合は、回転空間３２に連通する連通孔５２を通して、液体中の気泡が排除され、吐出口１６ａでは気泡のない液体が得られる。
【００７０】
次に、回転空間３２内の液体から抽出、回収された気体をポンプ１４の入口に導き、再度液体中に溶解させるべく循環させる原理を説明する。
先ず、流体の流路において、例えば流路の途中に突き出した物体を設けると、その突き出した物体の背後の圧力が低下する。また、流路を絞っても、即ち流路断面積を減少させることによっても圧力が低下する。そのため、一端が回転空間３２の軸心近傍に開口し、他端がポンプ１４の上流側の流路に突き出した構造物の直後か、あるいはポンプ１４の上流側の流路を絞った所に開口する連通部を設けることで、回転空間３２内の圧力が低い場合でも、ポンプ１４の上流側に位置する連通部の開口部における圧力を回転空間３２内の圧力より下げることができる。
【００７１】
この例によれば、一端が回転空間３２の軸心近傍に開口し、他端がポンプ１４の上流側の絞り部５８に開口する連通孔（第１連通部）５２を設けることで、回転空間３２内の液体に含まれる余剰空気（気泡）を、連通孔５２を通して、減圧されたポンプ１４の上流側に導き、気体循環口６０から放出して、この余剰気体をポンプ１４の上流側の液体に混入させて再度循環させることができる。換言すれば、何度でも繰り返し循環させることが出来る。
【００７２】
この例のように、ターボ形減圧部として水車を用いる場合は、水車のランナの外周端から中心軸近傍に向けて気体が溶解した液体を導いて、すなわちターボ形加圧部の場合とは逆の向きに気体が溶解した液体を導いて、液体の圧力を低下させるときに水車によって従来は回収される事の無かった高圧液体が持っているエネルギーを回収する。このことは、以下の例においても同様である。
【００７３】
図５及び図６は、本発明の他の実施の形態の気体溶解装置の概要を示す断面図である。この例は、加圧部及び減圧部として回転通路を用いている。つまり、この気液溶解装置は、両端の水平部を結ぶ線を回転軸心とした、回転自在な略Ｕ字状の回転通路７０を有し、この回転通路７０の上流側の回転通路を、回転に伴って気体を含む気液混合液に作用する遠心力で気液混合液を加圧する加圧部７２、下流側の回転通路を、回転に伴って気体を溶解させた気体溶解液に作用する遠心力で気体溶解液を減圧させる減圧部７４としている。そして、この加圧部（回転通路）７２と減圧部（回転通路）７４との間に、一対の仕切り壁７６で仕切られ、邪魔板７８で横断面Ｕ字状とした回転空間８０が設けられている。
【００７４】
回転通路７０の回転空間８０と減圧部７４との間に仕切り壁７６を設けることで、回転空間８０内の液体中に含まれの気泡が回転空間８０の外部に吐出されることを防止することができる。
【００７５】
回転通路７０の加圧部７２側の端部は、気体注入部８２を有する吸込管８４に連結され、減圧部７４側の端部は、気体を溶解し減圧部７４で減圧された気体溶解液を吐出す吐出管８６に連結されている。吸込管８４と回転通路７０との間はシール材８８でシールされ、吐出管８６と回転通路７０との間のシール材９０でシールされている。回転通路７０は、その両端の水平部において、一対の軸受９２を介して回転自在に支承されており、またその水平部には、被動歯車または被動プーリ９４が取付けられている。これによって、回転通路７０は、駆動歯車または駆動プーリ（図示せず）の駆動に伴って、被動歯車または被動プーリ９４を介して、両端の水平部を回転軸心として回転する。
【００７６】
更に、回転空間８０の回転軸心の近傍位置で一端を開口し、軸心に沿って吸込管８４の方向に延びて該吸込管８４と回転通路７０との接続部付近で他端が開口する第１連通部としての連通管９６と、外部から吸込管８４の内方に延び、鉤状に屈曲し連通管（第１連通部）９６の開口端に向けて開口する第２連通部としての気体排出管９８が備えられている。この気体排出管９８には、流量調整弁１００が設けられている。
【００７７】
これにより、この例では、気体排出管９８の屈曲部９８ａと吸込管８４との間に、流路の断面積を減少させて背後の圧力を減少させる絞り部１０２が形成され、連通管９６は、この絞り部１０２の背後の圧力が減少した所で開口するようになっており、更に、連通管９６と気体排出管９８との間に気体循環口１０４が設けられている。
【００７８】
この例によれば、回転通路７０の回転に伴って、気体注入部８２から気体を注入した気液混合液（気液混合流体）が吸込管８４から回転通路７０の内部に吸込まれ、加圧部７２に沿って流れる途中で遠心力を受けて加圧され、これによって、気体の液体中への溶解が促進される。つまり、加圧部（回転通路）７２をある回転速度で回転させることにより、その中を流れる液体に発生する遠心力を利用し、加圧部７２で気体を気泡として含む液体の圧力を遠心力により高圧に昇圧させ、気体が液体に溶解しやすくして、高圧中で気体を液体中に溶解させる。そして、気液混合液（気液混合流体）は、回転空間８０内に流入し、回転空間８０に沿って流れる。この時、前述の例とほぼ同様に、液体（気体溶解液）中に溶解せずに気泡として残った気体が液体から分離、抽出され、この分離、抽出された気体は、連通管９６を通して、回転通路７０の入口部に戻されるか、または更に気体排出管９８を通して、外部に排出される。回転空間８０に沿って流れる間で、液体中の気泡が除かれた液体（気体溶解液）は、減圧部７４内に流入し、減圧部７４に沿って流れる途中で、遠心力の作用で減圧され、吐出管８６から外部に吐出される。
【００７９】
このように、加圧部７２及び減圧部７４を備えて一体に回転する回転通路７０を用いることで、加圧時に加圧部（回転通路）７２で与えられた力学的エネルギーの一部が、流体を介して、減圧部（回転通路）７４に返還されるので、動力回収が図れることになる。動力回収は、原理的にいえば、前述の例における、ポンプ（加圧部）１４のインペラ２２あるいは水車（減圧部）１６のランナ２４と同じである。
【００８０】
即ち、加圧部７２では、エネルギーが構造物（回転通路）から液体に伝達され、かつ加圧部７２の回転で生じた遠心力により液体（及び気体）の圧力を上昇させる。これとちょうど反対に、減圧部７４においては、液体から構造物に力学的エネルギーが回収されると同時に、減圧部７４の内圧は、回転半径方向の距離の減少とともに低下する。回転通路７０は、加圧部７２と減圧部７４とが一体に作られているから、前述の例におけるインペラ２２とランナ２４の関係と同様にして、エネルギーの回収ができ、省エネルギー化を図ることができる。
【００８１】
図７は、本発明の更に他の実施の形態の気体溶解装置の概要を示す断面図である。この例は、加圧部として渦流ポンプを、減圧部として回転通路をそれぞれ使用するとともに、加圧部、減圧部及び加圧部と減圧部との間に設けられる回転空間を一体構造としている。つまり、加圧部を構成する渦流ポンプ１１０の羽根車、減圧部を構成する回転通路１１２、及び渦流ポンプ（加圧部）１１０と回転通路（減圧部）１１２との間に配置される回転空間１１４は、モータ１１６の駆動に伴って回転する主軸１１８と一体に回転し、これによって、回転容器１２０が構成されている。
【００８２】
この例において、動力の回収は、流体の主軸１１８の周方向に沿った速度成分を利用して、即ち、回転の角運動量の形で行われるため、回転通路１１２には、半径方向に延びる羽根１２２が備えられ、回転空間１１４にも、半径方向に延びる羽根１２４が設けられている。この羽根１２２，１２４は、回転通路１１２と回転空間１１４を仕切る仕切板１２６の前後両面に設けられ、この仕切板１２６と渦流ポンプ１１０の主板１２８は、回転空間１１４内の羽根１２４によって、互いに連結されている。
【００８３】
渦流ポンプ１１０の吸込口１３０には、図示しない吸込管が連結され、また、渦流ポンプ１１０のポンプケーシング１３２と主軸１１８との間は、シール材１３４でシールされている。ポンプケーシング１３２の開口端部には、回転容器１２０の周囲を包囲する流路ケーシング１３６が連結され、両ケーシング１３２，１３６の連結部もシール材１３８でシールされている。更に、流路ケーシング１３６の内周面の、回転空間１１４の幅方向のほぼ中央に対応する位置に、中空リング状で、回転空間１１４の内方に達する邪魔板１４０が取付けられている。
【００８４】
回転容器１２０と流路ケーシング１３６との間には、渦流ポンプ１１０の吐出口１４２と回転空間１１４を連通させる内部流路１４４と、回転空間１１４と回転通路１１２を連通させる内部流路１４６がそれぞれ設けられている。更に、流路ケーシング１３６の反モータ側端部は、円筒状部１３６ａが形成され、この円筒状部１３６ａに吐出管１４８が連結されている。この連結部も、シール材１５０によりシールされている。
【００８５】
また、回転空間１１４の軸心付近で一端を開口し、渦流ポンプ１１０の吸込口１３０で他端を開口する第１連通部１５２が備えられ、この第１連通部１５２に流量調整弁１５４が設けられている。更に、気体を外部に排気する第２連通部１５６が第１連通部１５２から分岐して備えられ、この第２連通部１５６にも流量調整弁１５８が設けられている。
【００８６】
この例においては、気泡を含んだ液体は、渦流ポンプ１１０によって圧力が上げられ気体の液体中への溶解が進行しながら回転空間１１４に入る。前述のように、回転空間１１４に入った液体に溶解せずに気泡のまま残留した気体は、回転空間１１４の軸心近傍に集められ、第１連通部１５２から渦流ポンプ１１０内に戻されるか、または第１連通部１５２及び第２連通部１５６から外部に排出される。そして、気体を溶解した圧力の高い液体は、回転通路１１２を経由して減圧されながら、吐出管１４８に至る。この減圧過程で、液体は、回転通路１１２をその一部とする回転容器１２０に力学的エネルギーを与えるので、エネルギー回収をすることができる。
【００８７】
なお、上記減圧過程での力学的エネルギーの回収は、回転角運動量の形で行われるので、回転通路（減圧部）１１２に、回転の半径方向に延びるように形成された羽根１２２を有することが好ましい。
【００８８】
この例では、回転空間１１４と回転通路（減圧部）１１２の２つの部分において、図５及び図６に示す例の回転空間８０と回転通路（減圧部）７４と同様な作用効果を得ることが出来る。即ち、加圧部の役割は、図５及び図６に示す例では回転通路７２が担っているのに対し、図７に示す例では渦流ポンプ１１０が担っている点において異なっているものの、回転空間において液体から余剰気体としての気泡を分離、抽出できること、回転通路（減圧部）において力学的エネルギーが回収できることの原理は、図５及び図６に示す例と同様である。ここで、回転通路（減圧部）１１２及び回転空間１１４の内部には、半径方向に伸び、周方向に複数形成された羽根１２２，１２４があるが、この羽根１２２，１２４で仕切られた、軸垂直平面において扇状をした空間の一つ一つが、図５及び図６に示す例における回転通路（減圧部）及び回転空間に相当する。換言すれば、図７に示す例は、図５及び図６に示す回転通路が回転軸心を共通としてそのまわりに複数個集合したものと考えることもできる。
【００８９】
また、この例では、流量調整弁１５４，１５８をそれぞれ設けた第１連通部１５２と第２連通部１５６を備えることで、回転空間１１４内の液体に含まれる余剰気体を渦流ポンプ１１０に戻して循環させる流量を調整したり、この余剰気体を外部大気中に排出する流量を調整したりできるようにしている。つまり、第１連通部１５２の回転空間１１４側開口部の圧力が外部の圧力（通常は大気圧）よりも高ければ、流量調整弁１５４，１５８を開閉することで、回転空間１１４内の液体に含まれる余剰気体を渦流ポンプ１１０に戻したり、外部大気中に排出する流量を調整したりできる。第１連通部１５２の回転空間１１４側開口部の圧力が大気圧以下のときは、第２連通部１５６を真空ポンプに接続することで、余剰空気を外部に排出させることができる。なお、第１連通部１５２及び第２連通部１５６の一方に流量調整弁を設けるようにしてもよい。
【００９０】
図８乃至図１０は、本発明の更に他の実施の形態の気体溶解装置の概要を示す。この例は、加圧部を渦流ポンプで、減圧部を水車でそれぞれ構成し、渦流ポンプに回転空間を一体に設けている。更に、渦流ポンプの主軸と水車の主軸を別体として、ベルトを介して、両主軸を同時に回転させるようにしている。
【００９１】
つまり、加圧部としての渦流ポンプ２００の主軸２０２は、モータ２０４の駆動に伴って回転し、ケーシング２０６に設けた吸込口２０８から渦流ポンプ２００の内部に吸込んだ気液混合流体を加圧するようになっており、この渦流ポンプ２００のケーシング２０６の内部に位置して、渦流ポンプ２００の吐出口２１０に連通する回転空間２１２が設けられている。この回転空間２１２の内部には、主軸２０２と一体に回転する羽根２１４が放射状に配置され、主軸２０２とケーシング２０６との間はシール材２１６によりシールされている。
【００９２】
一方、減圧部を構成する水車２２０は、主軸２２２の回転に伴って、羽根２２４を有するランナ２２６が回転するように構成されており、渦流ポンプ２００の主軸２０２に取付けた駆動プーリ２２８と水車２２０の主軸２２２に取付けた従動プーリ２３０との間にベルト２３２が掛け渡されている。これにより、モータ２０４の回転に伴って、渦流ポンプ２００の主軸２０２と水車２２０の主軸２２２が同時に回転する。水車２２０の主軸２２２とケーシング２３４との間はシール材２３６でシールされ、水車２２０で減圧された液体（気体溶解液）は、水車２２０の吐出口２４０から外部に吐出されて利用される。
なお、歯車やチェーンなどを介して渦流ポンプ２００の主軸２０２と水車２２０の主軸２２２との間で回転トルクの伝達をするように構成してもよい。
【００９３】
渦流ポンプ２００のケーシング２０６に設けられた、回転空間２１２の下流側の吐出口２４２と水車２２０の吸込口２４４は、外部通路２４６で連通されている。また回転空間２１２の軸心付近で一端を開口し、渦流ポンプ２００の吸込口２０８で他端を開口する第１連通部２５０が備えられ、この第１連通部２５０に流量調整弁２５２が設けられている。更に、気体を外部に排気する第２連通部２５４が第１連通部２５０から分岐して備えられ、この第２連通部２５４にも流量調整弁２５６が設けられている。
【００９４】
この例の回転空間２１２では、半径方向外側から気泡を含む液体を該回転空間２１２内に導き、気泡のみを回転空間２１２の軸心の近傍に集めるようにしている。即ち、この例では、回転空間２１２内において、液体に含まれる気泡に半径方向中心向きに大きな浮力が作用するため、気泡は、軸心に向かって集まってくる。このようにして、余剰な気泡を除去した液体のみが、外部通路２４６を経由してランナ２２６を備えた水車２２０に流入し、力学的エネルギーが水車２２０に与えられるとともに、液体自身は減圧されて吐出口２４０から吐出される。なお、吐出口２４０の下流に多孔質体や金網や多孔板等を設けて気体が溶解した液体を通過させることにより、微細な気泡を得ることが出来ることは勿論である。
【００９５】
この例のように、渦流ポンプ（加圧部）２００の下流側に回転空間２１２を該渦流ポンプ２００と一体に設けた場合、回転空間２１２を通過して吐出される気体を溶解した液体を、ランナ２２６を有する水車２２０を備えた減圧部に導いて動力回収を行った後、気体溶解装置の外部に取り出すことが可能になる。この場合、回転空間２１２中の流体の動きとして、気体を溶解した液体の大部分は回転空間２１２の中心に向かって進むことは無く、一方、液体に溶解せず気体のまま存在していた気泡が回転空間２１２の中心に向かって移動する。これは、気泡には回転空間２１２の半径方向中心側に向けて強い浮力が働き、気泡は半径方向中心向きに移動するからである。このようにして、液体中に残留していた気泡が抽出された後に液体が外部に吐出されるので、気泡を含まない余剰気体を分離した液体を得ることができる。因みに、こうして得られた気体を溶解する液体を、多孔質体や金網や多孔板等を通過させるように流路を構成すれば、従来よりも微細な気泡を発生させることもできる。
【００９６】
回転空間２１２内に流入した液体からから抽出、回収された気体は、前述と同様に、第１連通部２５０から渦流ポンプ２００内に戻されるか、または第１連通部２５０及び第２連通部２５４から外部に排気される。
【００９７】
図１１乃至図１３は、本発明の更に他の実施の形態の気体溶解装置を示す。この例は、加圧部を渦流ポンプで、減圧部を水車でそれぞれ構成し、水車に回転空間を一体に設けている。更に、渦流ポンプの主軸と水車の主軸を別体として、ベルトを介して、両主軸が同時に回転するようにしている。
【００９８】
つまり、加圧部としての渦流ポンプ３００の主軸３０２は、モータ３０４の駆動に伴って回転し、ケーシング３０６に設けた吸込口３０８から渦流ポンプ３００の内部に吸込んだ気液混合流体を加圧し、この加圧して気体を溶解させた液体（気体溶解液）を吐出口３１０から回転空間３３２に向けて吐出すようになっている。渦流ポンプ３００の主軸３０２とケーシング３０６との間はシール材３１２によりシールされている。
【００９９】
一方、減圧部を構成する水車３２０は、主軸３２２の回転に伴って、羽根３２４を有するランナ３２６が回転するように構成されており、このケーシング３２８内のランナ３２６の上流側に、放射状に延びて主軸３２２の回転に伴って回転する羽根３３０を有する回転空間３３２が設けられている。水車３２０の主軸３２２とケーシング３２８との間はシール材３３４でシールされている。そして、渦流ポンプ３００の主軸３０２に取付けた駆動プーリ３３６と水車３２０の主軸３２２に取付けた従動プーリ３３８との間にベルト３４０が掛け渡され、これにより、モータ３０４の回転に伴って、渦流ポンプ３００の主軸３０２と水車３２０の主軸３２２が同時に回転する。水車３２０の主軸３２２とケーシング３２８との間はシール材３３４でシールされ、水車３２０で減圧された液体（気体溶解液）は、水車３２０の吐出口３４４から外部に排出されて利用される。
なお、歯車やチェーンなどを介して、渦流ポンプ３００の主軸３０２と水車３２０の主軸３２２との間で回転トルクの伝達をするように構成してもよい。
【０１００】
渦流ポンプ３００のケーシング３０６に設けられた吐出口３１０と水車３２０のケーシング３２８に設けられた吸込口３４６は、外部通路３４８で連通されている。また回転空間３３２の軸心付近で一端を開口し、水車３２０の主軸３２２の内部を貫通して延びて、渦流ポンプ３００の吸込口３０８で他端を開口する第１連通部３５０が備えられ、この第１連通部３５０に流量調整弁３５２が設けられている。更に、気体を外部に排気する第２連通部３５４が第１連通部３５０から分岐して備えられ、この第２連通部３５４にも流量調整弁３５６が設けられている。
【０１０１】
この例における回転空間３３２は、図８乃至図１０で示す例と同様な作用により、気泡のみを軸心の近傍に集めて抽出することができる。このため、渦流ポンプ（加圧部）３００で加圧された後であっても、液体に溶解することなく残留した気泡があるとき、その気泡は、第１連通部３５０を経て渦流ポンプ３００に戻されるか、または第１連通部３５０及び第２連通部３５４を経て外部に排出される。この例において、外部通路３４８を経て回転空間３３２及び水車３２０に流入する液体は、先ず回転空間３３２の入口を経由する。このため、回転空間３３２内に流入した液体中に残留していた気泡は、回転空間３３２の中心に向かって流れることになり、ランナ３２６を備えた水車３２０の吸込口３５８に至った液体には気泡が含まれていない。そして、この液体が水車３２０で力学的エネルギーを該水車３２０に与えつつ、自身は減圧されて吐出口３４４より吐出される。
【図面の簡単な説明】
【０１０２】
【図１】静止している液体中に気泡がある場合の気泡径及び気泡体積の時間的変化を示すグラフである。
【図２】本発明の実施の形態の気体溶解装置の概要を示す断面図である。
【図３】液体が角速度一定で回転した場合の半径方向の絶対静圧分布を示すグラフである。
【図４】回転軸心から全質量流量の半分となる半径までの回転半径方向の距離を示す図である。
【図５】本発明の他の実施の形態の気体溶解装置の概要を示す断面図である。
【図６】図５のＡ−Ａ線断面図である。
【図７】本発明の更に他の実施の形態の気体溶解装置の概要を示す断面図である。
【図８】本発明の更に他の実施の形態の気体溶解装置の概要を示す断面図である。
【図９】図８のＡ−Ａ線断面図である。
【図１０】図８のＢ−Ｂ線断面図である。
【図１１】本発明の他の実施の形態の気体溶解装置の概要を示す断面図である。
【図１２】図１１のＡ−Ａ線断面図である。
【図１３】図１１のＢ−Ｂ線断面図である。
【符号の説明】
【０１０３】
１０ 気体注入部
１２ 吸込管
１４ ポンプ（加圧部）
１６ 水車（減圧部）
２２ インペラ
２４ ランナ
２６ 主軸
３２ 回転空間
３２ａ ポンプ側回転空間
３２ｂ 水車側回転空間
３４ 回転容器
４２ 邪魔板
４６ タンク
４８ 内部通路
５２ 連通孔（連通部）
５４ 気体排出管（連通部）
５６ 外管
５８ 絞り部
６０ 気体循環口
６２ 流量調整弁
７０ 回転通路
７２ 加圧部（回転通路）
７４ 減圧部（回転通路）
７８ 邪魔板
８０ 回転空間
８２ 気体注入部
８４ 吸込管
８６ 吐出管
９６ 連通管（連通部）
９８ 気体排出管（連通部）
１０４ 気体循環口
１１０ 渦流ポンプ（加圧部）
１１２ 回転通路
１１４ 回転空間
１２０ 回転容器
１３０ 吸込口
１３２ ポンプケーシング
１３６ 流路ケーシング
１４０ 邪魔板
１４２ 吐出口
１４８ 吐出管
１５２、１５６ 連通部
２００ 渦流ポンプ（加圧部）
２０８ 吸込口
２１０ 吐出口
２１２ 回転空間
２２０ 水車（減圧部）
２２６ ランナ
２４０ 吐出口
２４６ 外部通路
２５０，２５４ 連通部
３００ 渦流ポンプ（加圧部）
３０８ 吸込口
３１０ 吐出口
３２０ 水車（減圧部）
３２６ ランナ
３３２ 回転空間
３４４ 吐出口
３４６ 吸込口
３４８ 外部通路
３５０，３５４ 連通部
３５８ 吸込口
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水等の液体に空気等の気体を溶解させて、単位質量当りについて所望の気体の溶解濃度を増加させた液体を製造する気体溶解装置に関する。本発明の気体溶解装置は、例えば、使用環境下において過飽和状態にまで気体を溶解させた液体を、河川、湖沼または養殖用水槽等に供給することにより、水中の溶存酸素量を高めて水質を改善し、種々の有用な生物が繁殖しやすくしたり、オゾンの溶解度を高めたオゾン水など、医療等に用いるために有益な気体を溶解させた液体を製造したりするのに用いられる。本発明において、溶解濃度とは、ある物質（溶質）が他の物質（溶媒）に実際に溶解している溶液中における溶質の濃度のことを言う。これは、溶解度と言う用語の意味が“溶質が溶媒に溶解する限度を言い、飽和溶液中における溶質の濃度で表わされる”ことと、区別するためである。
【背景技術】
【０００２】
液体の酸素等の気体溶解濃度を増加させるための装置として、例えば、液体をポンプで供給して加圧するとともに、気体を液体に混入して溶解させた後に、吐出ノズルに設けたメッシュや多孔板によって、液体を急激に減圧させて微細な気泡を発生させるようにしたものが知られている（特許文献１〜４等参照）。これらは、最終的に微細気泡が混在する液体を得るために、予め気体の液体中での溶解濃度を高めておくという技術であって、例えば、エジェクタなどを用いて気体を微細化された気泡として液体中に取り込んだ後、高圧に保たれた気体溶解タンクなどを用いて液体中に気体を溶解させるようにしている。
【０００３】
これらの技術は、いずれも気体の溶解濃度を高めた液体を得たり、微細気泡が混在する液体を得たりするための技術であって、液体中の気体溶解濃度を増加させるための装置において、その省エネルギー化を図った技術ではない。
【０００４】
一方、例えば酸素を大量に溶解した水を効率よく、即ち、相対的に少ない投入エネルギーにより生成することができれば、河川や湖沼の水質改善が一層実施し易くなり、環境改善を図ることができる。このような効果を奏する為には、必ずしも酸素を気泡として供給する必要はなく、水中での酸素の溶解濃度（溶存酸素量）を高めればよい。従来、このような有用な気体を対象として、必ずしも気泡発生に至ることを要件とすることなく、専らそれら気体の液体中への溶解濃度を増大することを目的とした装置について十分な開発が成されているとは言えず、従って、そのような気体溶解装置の省エネルギー化について開示している文献も極めて少ない。
【０００５】
気体を液体に加圧溶解させ、その後、微細気泡を発生させるタイプの微細気泡発生装置では、気体を溶解させた液体中に気泡が混ざった状態のまま、即ち気体が液体中に残留した状態のまま、例えば外部の水槽への微細気泡発生機構を備えた吐出口に液体を導くと、吐出される流体中の微細気泡の発生量が少なくなってしまう。そのため、特許文献２においては、気泡の混在した液体がリリーフ弁の付いたタンク（気体溶解装置）を通過するように流路を構成することで、高圧下において気体を液体に溶解させるとともに、溶解されずに気体のまま残留した余剰気体を大気に排出して、気体が溶解した液体のみを吐出口に導くようにしている。また、特許文献４においては、気液溶解タンクの下流側配管を流れる液体中に気泡の状態で（液体に溶解することなく）残留している気体を気体分離部により分離して収集し、この収集された気体を、戻し管を介してエジェクタで吸引して再度気液溶解タンクに導いて液中に溶解させるように構成するとともに、外部にある水槽に、少なくとも大きな気泡が混入しないようにしている。
【０００６】
なお、膜分離装置等において、エネルギー回収、即ち動力回収を図ったものとして、ポンプと水車を直結してエネルギーを回収することが開示されている（特許文献５参照）。
【特許文献１】特開２００２−８６０１８号公報
【特許文献２】特開２００３−２６５９３８号公報
【特許文献３】特開平４−２９５３６１号公報
【特許文献４】特開２００１−３４７１４５号公報
【特許文献５】特開平８−２９４６１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
静止した液体に気体を溶解させるためには、一般的に多くの時間が必要である。このため、気体が液体に溶解する速度を増すために種々の方法が採られている。気体が液体に溶解する速度は、液体の気体に対する溶解度と気液界面から離れた液体中に現に溶解している気体の溶解濃度との差に比例し、気液界面の液体は、溶解度まで気体を溶解しており、且つ液体に溶解する気体の溶解度は、気体の圧力に比例して増加する。このため、気体が液体に溶解する速度は、気体の圧力が高いほど速くなる。また、気体と液体の界面面積が大きいほど、気体が液体に溶解する速度は速くなる。このように、気体が液体に溶解する速度は、一つ目には溶解度と気液界面から離れた位置にある液体中に現に溶解している気体の溶解濃度との差に、二つ目には気体の圧力に、三つ目には気体と液体の界面面積にそれぞれ比例的に増加するので、気体の液体中の溶解濃度も増加する。
【０００８】
そこで、まず気体の入った液体の圧力を高めることで、気体が液体に溶解する速度を上げることができる。この場合、気体の圧力を上げるとともに、液体の圧力も同時に上げることとなる。また、気体が液体に溶解する速度は気液界面の面積に比例する。液体に対する気体の量を多くしたり、液体に混入する気泡の径を小さくして気泡の個数を多くしたりすることで、気液界面の面積を増すことができ、さらに気体と液体を撹拌することで、気体と液体の混合を良くすることができる。
【０００９】
気体及び液体の圧力を高めて溶解濃度を増加させる気体溶解装置においては、短時間に高速に気体を液体に溶解させるために、加圧部の上流で液体に入れる気体の量を液体に対して過大にすると、加圧後においても液体に溶解させることができなかった気体が液体中に残留し、これが吐出側の、例えば外部の水槽に吐出されてしまう。このように、気体溶解装置の気体溶解液の出口においても、液体に溶解されずに気体の状態で気体が残留している場合には、気体溶解装置の外部水槽への吐出部に、例え微細気泡発生機構が構成されていたとしても、微細気泡の発生量は少なくなり、大きな気泡が発生し易くなるという現象が生じる。このため、例えば、外部の水槽に気体溶解液を吐出するノズルより上流にある場所において液体に溶解していない余剰気体を取除く必要がある。
【００１０】
ここで気体溶解装置と言う表現の意味について説明する。例えば、特許文献１に示す微細気泡発生装置では、循環ポンプにより水槽から液体を吸引しエジェクタに向けて吐出するとともに、気体を液体に混入して気液溶解タンクで溶解させ、気体を溶解した液を水槽に向けて吐出管で導く構成としており、これは、上記で述べた気体溶解装置なる用語が内包する意味の一つの具体例である。即ち、特許文献１に記載の装置によれば、吐出管において既に気体を溶解する液体が得られているので、ここまでの構成で気体溶解装置が形成されている。特許文献１に記載の装置は、気体溶解装置の吐出部に、更に微細気泡を発生させるためのノズル本体を配置しているので、装置全体としては、気体溶解装置にとどまらず、加圧溶解式微細気泡発生装置となっている。
【００１１】
従来の上記の微細気泡発生装置及び気体溶解装置のうち、特許文献１に示す装置にあっては、気体を液体に溶解する加圧タンク（気体溶解タンク）の気体の量（水位）を測定するセンサや、加圧タンクの上流において混入する気体の量をコントロールする制御部が必要となって、部品点数の増加に繋がる。特許文献２に示す装置にあっては、リリーフ弁の付いたタンク（気体溶解装置）を通過させて気体を液体に溶解させるとともに、高圧部で余剰気体を外部に排出するようにしており、この場合、例えば特許文献１において必要とした水位センサや制御部が不要となるものの、リリーフ弁を設ける必要があり、やはり部品が多くなる。
【００１２】
また、特許文献３や特許文献４に示す装置のように、気体と液体を分離する機能を持つタンクから気体を配管で加圧タンク（気体を液体に溶解させるためのタンク）の上流に戻すようにした場合、気体を液体に溶解する加圧タンク内の気体の量が多くなり過ぎると、外部の水槽に気体が大きな気泡として排出される。これを防ぐためには、特許文献１に示すように、気体を液体に溶解する加圧タンク（気体溶解タンク）の気体の量（水位）をセンサを用いて測定して、該加圧タンクの上流において混入する気体の量をコントロールする必要があり、装置が複雑になる。
【００１３】
更に、上記各従来例にあっては、地上の重力によって生じる気泡にかかる浮力で液体に溶解していない気泡を取除くようにしているため、気泡の分離が悪く、液体から気泡を完全に取り除けない恐れがある。しかも、液体と気体を加圧して気体を液体に溶解させた後に、液体の吐出部に設けた吐出ノズル内のメッシュや多孔板によって、液体を急激に減圧させて液体中に微細な気泡を発生させているため、液体吐出部で非常に大きな損失が発生している。
【００１４】
本発明は、余剰気体を加圧タンクの外部へ自動的に排出ためのリリーフ弁や、加圧タンク内の水位を検知して加圧タンクの外部から入る気体の量を加圧タンク内の水位に合わせてコントロールする制御部を備える必要を無くし、気体注入口で気体を過剰に注入しても液体中の気体の溶解濃度は所定の値に維持され、且つ気体の当該過剰分が気体溶解装置の吐出口から吐出されることの無いようにしたものである。
【００１５】
上記のように、最終的に気泡、特に微細気泡を発生させる装置は、従来、主として微細気泡を発生する段階においてエネルギー損失が大きく、換言すれば、気泡を生成するために投入されるエネルギーを回収することができず、このため、省エネルギー化が困難であった。他方、前記のように、必ずしも気泡発生を伴うことなく、例えば酸素等の有用な気体の液体中での溶解濃度を高めるだけで良い場合もある。
【００１６】
本発明は上記事情に鑑みて成されてもので、余剰気体を加圧タンクの外部へ自動的に排出するためのリリーフ弁や、加圧タンク内の水位を検知して加圧タンク外部から入る気体の量を加圧タンク内の水位に合わせてコントロールする制御部を備える必要を無くし、液体への気体の溶解速度を速くし、溶解していない気体（即ち気泡）を十分に除去し、かつ気体注入口で気体を過剰に注入しても当該気体の過剰分が気体溶解液と共に気体のまま吐出されること無く、液体の気体溶解濃度を所定の値に維持でき、しかも装置に投入した機械的エネルギーを回収することにより損失の抑制を図り、もって気体の溶解濃度の大きい有用な、例えば水などの液体を製造するための省エネルギー化された気体溶解装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上述したように、気体が液体に溶解する速度は、一つ目には溶解度と気液界面から離れた位置にある液体中に現に溶解している気体の溶解濃度との差に（気液界面における液中には気体が溶解度まで溶解している）、二つ目には気体の圧力に、三つ目には気体と液体の界面面積にそれぞれ比例的に増加する。一般的に言って、液体中に当初気泡として存在した気体は、時間が経過するにつれて液体に溶解して液体中の気体の溶解濃度が増加し、気液界面から離れた位置にある液体中に現に溶解している気体の溶解濃度との差が少なくなる。また気泡が小さくなって気体と液体の界面面積が小さくなるため、気体が液体に溶解する速度は時間が経過するにつれて遅くなる。
【００１８】
図１に、一例として、空気泡が水に溶解していくときの気泡径と気泡体積の時間変化を示す。絶対静圧が０．４ＭＰａの場合、空気は体積組成として酸素が２０．９％で、窒素が７９．１％とし、最初水中に空気その他の気体が全く溶解していない状態から、空気中の窒素により水がほぼ飽和するために必要な初期気泡ボイド率θ１maxは１．６７８％となる。本発明で気泡ボイド率とは、気体と液体とが完全に均一に（それぞれ気相、液相のままで）混合した流体のある一定体積に占める気体（気泡）の体積のことを言い、気体と液体の混合物に占める気体の体積の割合である（なお空気として前記組成を仮定したので、先に飽和状態に達する窒素について考察した）。
【００１９】
図１は、初期気泡ボイド率θ１の最大値θ１max＝１．６７８％から、θ１maxの５０％である初期気泡ボイド率θ１＝０．８３９％までの間の４通りで、水中に空気その他の気体が全く溶解していない状態からの気泡径と気泡体積の時間変化を示す。気泡の体積が初期体積の０．４倍に減少する、すなわち体積の６割が液体に溶解するのに要する時間は、初期気泡ボイド率θ１＝０．８３９％からθ１＝１．６７８％の範囲で約４０秒とほぼ同一である。これに対して、例えば初期気泡ボイド率がθ１＝１．６７８％のときは、気体が水に完全に溶解するまでに８０５秒かかり、初期気泡ボイド率がθ１＝０．８３９％のときは２５５秒かかる。すなわち、気体を液体に完全に溶解させるための時間を短縮するためには、液体に混入する気体の初期気泡ボイド率を比較的小さい値に抑えることが効果的であることが判る。
【００２０】
一方、気体が液体に溶解する速度は、気液界面の面積に比例する。このため、液体に混入させる気泡の大きさが同じであれば、液体に混入させる気体の量を増すと、気液界面の面積が増加し、短時間で気体が液体に溶解する量は増加する。しかし、液体に混入させる気体の量を増すと、例えば気体を含む液体を加圧して気体を液体に溶解させる溶解装置においては、その溶解装置の減圧部の入口において、溶解せずに残った気体が存在するようになり、溶解せずに残った気体が溶解装置の出口から大きな気泡として吐出されてしまう可能性が大きい。
【００２１】
液体中に大きな気泡と小さな気泡がある場合、気泡に作用する液体の表面張力のために、小さな気泡の方が気泡内の圧力の上昇が大きくなり、小さな気泡内の気体の方が大きな気泡内の気体より液体に溶解し易くなる。この結果、小さい気泡の周りにおける液体中に溶解した気体の溶解濃度の方が、大きな気泡の周りにおける液体中に溶解した気体の溶解濃度より高くなる。そして、小さい気泡の周りの液体が大きな気泡の周りへ、例えば拡散して移動して、大きな気泡の周りの液体における気体の溶解濃度が、大きな気泡内の圧力に対応する飽和溶解濃度（溶解度）より高くなると、液体中に溶解していた気体が大きな気泡内へ気体として放出されて大きな気泡が更に大きくなる。このため、気泡径が互いに大きく異なる気泡が混在すると、小さい気泡が大きい気泡に次々と統合されてしまう。そのため、気体溶解装置の内部では加圧部の入口から減圧部の入口に至るまで、いずれの場所においてもある気泡の気泡径がその周辺に存在する他の気泡の気泡径と大きく異なるような、即ち相対的に大きい気泡が存在しないようにするのが良い。また、減圧部の入口においては、液体中に気泡が残ることが無いようにする必要がある。
【００２２】
気体が液体に溶解する速度は気体の圧力に比例する。そのため、本発明では、まず、気体を混入した液体を加圧部を用いて加圧して気体の液体中への溶解速度を増し、単位質量の液体当たりに溶解する気体の量を増加させている。液体を加圧する加圧部としては、ターボ形のポンプ、渦流ポンプまたは回転通路が好ましく用いられる。また、気体を混入した液体が加圧されている時間が長いほど液体中への気体の溶解が進み、液体中の気体の溶解濃度が高くなる。このため、加圧部のすぐ下流に更にタンクを設けるようにしてもよい。
【００２３】
次に、減圧部の入口で未だ液体に溶解していない余剰気体を取除くため、換言すれば、未溶解の気体が減圧部の入口まで至ることの無いようにするため、本発明では、加圧部（例えば、ターボ形のポンプ、渦流ポンプまたは回転通路など）の下流側に回転空間を設けるとともに、連通部を設けている。この連通部は、回転空間の回転軸心の近傍位置にその一端を開口させ、他端は加圧部の上流側通路及び気体溶解装置の外部空間の少なくとも一方に開口させている。これにより、加圧部に流入して加圧された後、または加圧後の高圧状態下に一定時間保持された後であって、もしも効果的対策がとられない場合に減圧部の入口で未だ気泡として残留していたはずの気体を回転空間から抽出し、連通部を経由して外部に排出するか、または、例えば高価な気体である場合には再度液体に溶解させるべく、加圧部の上流側の通路に導き、そこで液体中に混入させる。
【００２４】
本発明で余剰気体とは、気体を混入された液体が加圧部に流入して加圧された後、または加圧後の高圧状態下に一定時間保持された後においてもなお液体に溶解せず気泡の状態で存在する気体のことを意味している。この余剰気体は、連通部を経由して、例えば大気中に放出させられるか、または必要に応じて加圧部の上流側の通路に戻され、再度液体中に溶解させるべく再循環させられる。
【００２５】
回転容器内では液体が回転すると半径方向に圧力勾配が発生する。本発明で回転容器とは、ターボ形ポンプや水車の羽根車、回転空間または回転通路などのような一定の中心回りを回転する構造体を指す。回転している液体中に気泡がある場合、気泡には回転の中心方向に浮力が作用する。気泡を球形と仮定して、気泡の半径をＲ、気泡の抗力係数をＣｄ、液体の密度をρｆ、液体の絶対静圧をｐ、回転容器の回転中心を中心としたときの当該気泡の中心の半径方向の座標をｒ、回転容器内で気泡が回転の中心方向に進む際の回転の半径方向の分速度であって、該回転の半径方向の液体の分速度に対する相対速度をＵｂ,ｒ０とすると、気泡が回転の中心方向に進もうとする浮力と、気泡が回転の中心方向に進むのを妨げる抗力との釣合は次の式（１）で表される。
【数１】
【００２６】
いま、一例として、液体が回転容器と同じ回転速度で回転する場合、液体の回転角速度をω、回転中心の絶対静圧をｐ０とすると、液体の回転容器の半径方向の圧力勾配は式（２）で、圧力は式（３）で表される。
【数２】
【数３】
【００２７】
一方、地球上で静止した液体中に気泡がある場合、鉛直下向き方向の座標をｚ、重力加速度をｇ＝９．８ｍ／ｓ２、静止した液体中を気泡が上昇する速度をＵｂ,ｓｔとすれば、気泡が鉛直方向上向きに進もうとする浮力と、気泡が鉛直方向上向きに進むのを妨げる抗力との釣合は次の式（４）で表される。なお気泡を構成する気体の密度は実質的には問題とならないから、式（４）ではこれを無視している。
【数４】
【００２８】
したがって、式（１）、式（２）及び式（４）から、地球上で静止した液体中を気泡が上昇する速度Ｕｂ,ｓｔに対する、回転容器内で気泡が回転の中心方向に進む際の液体に対する前記相対速度Ｕｂ,ｒ０の比は次の式（５）で表される。
【数５】
なお、回転速度をＮｒｐｍとすると、回転角速度は ω＝２πＮ／６０である。
【００２９】
通常良く用いられる回転速度Ｎ＝１５００ｒｐｍの場合、半径０．３９７ｍｍ以上で静止液体中より回転容器内の液体中の気泡の分離速度（気泡の液体に対する相対速度）の方が速くなり、半径０．１ｍでは１５．９倍になる。回転速度Ｎ＝３０００ｒｍｐの場合は、半径ｒ＝０．０９９３ｍｍ以上で静止液体中より回転容器内の液体中の気泡の分離速度の方が速くなり、半径０．１ｍでは３１．８倍になる。換言すれば、気泡に働く浮力は、静止液体中より回転する液体中の方が圧倒的に大きいため、回転する液体中の気泡は、静止液体中より高速で液体中を移動し分離されることとなる。一般的に使用されている、例えばターボ形ポンプの寸法を想起すれば、浮力による静止液体中の気泡の分離速度と回転する液体中の気泡の分離速度とが等しくなる半径０．３９７ｍｍ及び０．０９９３ｍｍは十分に小さい。このため、ほぼ全ての領域で静止液体中より回転容器内の液体中の気泡の分離速度の方が速くなる。したがって、従来の静止液体中において行う余剰気体を分離する方法より、十分かつ速やかに余剰気体の分離を行えるようになる。
【００３０】
液体が回転している場合、液体中の気泡は、液体に対して液体の回転中心の方向に進む。このため、気泡が液体に対して回転中心の方向に進む速度より速く液体が半径方向外向きに進めば、気泡は、液体によって半径方向外向きに搬送される。例えば、加圧部をポンプで構成した場合、このポンプのインペラ内において、液体に対する気泡の回転中心方向の速度より速く液体を半径方向外向きに流せば、気泡は、インペラ入口に留まることなく、液体によって半径方向外向きに搬送され、インペラの上流で液体に混入させた気泡を高圧な領域に進ませることができる。一方、回転空間内では半径方向外向きの液体の流れを気泡が液体に対して回転中心の方向に進む速度より遅くすることによって、気泡は液体に押し流されることなく回転空間の回転中心近傍に留まるから気泡は液体から分離される。
【００３１】
上述のように、従来のように重力を利用する方法に比べ、回転空間内で気泡分離を行うと余剰気体の分離速度がより速くなるため、気体溶解装置の加圧部の出口、またはタンク出口で吐出される液体中に含まれる気泡が十分に分離され、回転空間の下流には気泡がなくなる。したがって減圧部の入口では気泡は無い。
【００３２】
減圧部の上流側に位置する回転空間の外周部に邪魔板を配置すると、加圧部にて加圧された、または加圧後の高圧状態下に一定時間保持された気液混合液は、回転空間の半径方向外側（回転中心から遠い側）から回転空間に流入し、回転中心近傍で反転して再び半径方向外側に向かって流動して減圧部の入口に至る。このとき、即ち気液混合液が半径方向外側に向かって流動するとき、液体中の気泡に働く液体の流動による抗力（回転半径外側向きの力）が浮力（回転半径内側向きの力）よりも小さくなるように回転通路の流路寸法などを形成しておけば、液体中の気泡は液体に同伴して流れることなく、回転空間内部の回転軸心近傍にとどまり、連通部を経由して抽出、除去される。
【００３３】
本発明では、気体が溶解した液体を気体溶解装置の外部に吐出する前に該気体溶解装置内に設けた減圧部を通過させるように構成し、このときに、当該減圧部により、加圧部に加えられた力学的エネルギーが回収されるように構成している。
【００３４】
なお、液体に溶解した気体は、液体と気体の分子の境界にζ電位が発生するため、気体分子の群同士が電気的に反発し、合体しづらくなる。このため、局所的な圧力低下がない限り、気体溶解装置の外部に吐出されるまで気泡として、即ち気相状態として現れにくくなる。このようにして、有用な気体を多く溶解した、即ち溶解濃度として大きく含有した液体を少ない投入エネルギーで製造することができる。
【発明の効果】
【００３５】
本発明によれば、例え入口部で気体が過剰に供給されていても、気泡が除去され、且つ気体を高い濃度で均一に溶解した気体溶解液を、大幅に省エネルギー化して製造することが可能な気体溶解装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図２は、本発明の実施の形態の気体溶解装置の概要を示す断面図である。この例は、加圧部及び減圧部として、共にターボ形回転機械、つまり加圧部としてポンプを、減圧部として水車をそれぞれ用いている。図２に示すように、この気体溶解装置は、通路内を流れる水等の液体に空気等の気体を注入する気体注入部１０を備えた吸込管１２と、この吸込管１２に接続され、液体に気体を注入した気液混合液（気液混合流体）を加圧して気体の液体中への溶解を促進する加圧部としてのポンプ１４と、気体が溶解した気体溶解液を減圧させて外部に吐出する減圧部としての水車１６を有している。
【００３７】
ポンプ（加圧部）１４は、ケーシング２０内に配置されたインペラ（羽根車）２２を有しており、水車（減圧部）１６は、ケーシング２０内に配置されたランナ（羽根車）２４を有している。そして、水車１６側から延びる回転自在な主軸２６の先端にインペラ２２の主板２８が、主軸２６のインペラ２２の主板２８と所定間隔離間した位置にランナ２４の主板３０がそれぞれ取付けられ、両主板２８，３０の間に回転空間３２が設けられている。これにより、主軸２６の回転に伴って、ポンプ１４のインペラ２２、水車１６のランナ２４及び両主板２８，３０で挟まれた回転空間３２が一体に回転する回転容器３４が構成されている。インペラ２２の主板２８には羽根３６が、ランナ２４の主板３０には羽根３８がそれぞれ取付けられている。
【００３８】
ポンプ１４の内部には、吸込口１４ａから気液混合液が吸込まれ、水車１６から吐出された気体溶解液は、吐出口１６ａから外部に吐出される。インペラ２２の主板２８の外周端面と該外周端面が対面するケーシング２０との間には、ポンプ１４のインペラ２２の外周よりも下流側の流体通路と、回転空間３２の上流側の流体流路とを仕切って、ポンプ１４側から回転空間３２側への液体の漏れを防止する仕切り板（ライナリング）４０が設けられている。
【００３９】
回転空間３２は、回転容器３４の外周端部から内方に延びる平板リング状の邪魔板４２によって、ポンプ側回転空間３２ａと水車側回転空間３２ｂに区画され、主軸２６側で互いに連通する横断面Ｕ字状に形成されている。ポンプ１４の流体出口とポンプ側回転空間３２ａの流体入口は、外部通路４４を介して互いに連通されており、この外部通路４４の一部には、断面積を拡大したタンク（断面積拡大部）４６が設けられている。更に、水車側回転空間３２ｂの流体出口と水車１６の流体入口は、内部通路４８を介して互いに連通されている。ケーシング２０と主軸２６との間はシール材５０でシールされている。
【００４０】
主軸２６の内部には、回転空間３２の主軸２６側最深部（回転軸心の近傍位置）で一端を開口し、軸心に沿って吸込管１２の方向に延びて、ポンプ１４の吸込口１４ａ付近で他端が開口する第１連通部としての連通孔５２が設けられている。更に、外部から吸込管１２の内方に延び、鉤状に屈曲し連通孔（第１連通部）５２の開口端に向けて開口する第２連通部としての気体排出管５４が備えられ、この気体排出管（第２連通部）５４の開口端部には、連通孔５２の周囲を囲繞する外管５６が連結されている。
【００４１】
これにより、この例では、気体排出管５４の屈曲部５４ａと吸込管１２との間に、流路断面積を減少させて背後の圧力を減少させる絞り部５８が形成され、連通孔５２は、この絞り部５８の背後の圧力が減少した所で開口するようになっており、更に、外管５６の内部に連通孔５２と連通する気体循環口６０が設けられている。気体排出管５４には、流量調整弁６２が設けられている。
【００４２】
この例では、連通孔（第１連通部）５２と気体排出管（第２連通部）５４で、回転空間３２内の液体（気体溶解液）中に含まれる余剰気体（気泡）を入口流路に戻して循環させる機能と、この余剰気体を外部に排出する機能の双方の機能を有する連通部が構成されている。なお、連通孔５２のみで、回転空間３２内の液体中に含まれる余剰気体を循環させる機能のみを有する連通部を構成したり、連通孔５２と気体排出管５４とを、例えば図示しないシール部を介して連結して、余剰気体を外部に排出する機能のみを有する連通部を構成したりしてもよい。
【００４３】
これにより、主軸２６の回転に伴って、回転容器３４、すなわちポンプ１４のインペラ２２、水車１６のランナ２４及び両主板２８，３０で挟まれた回転空間３２が一体に回転する。このポンプ１４のインペラ２２の回転に伴って、吸込管１２内を流れ、気体注入部１０から気体を注入した液体（気液混合液）が吸込口１４ａからポンプ１４の内部に吸込まれ、インペラ２２で昇圧されてポンプ１４から吐出される。このように、気液混合液が昇圧されることで、気液混合液中の気体の液体中への溶解が促進される。加圧された気液混合液は、ポンプ１４を出て外部通路４４のタンク４６内に流入し、このタンク４６内に所定時間滞留する。これによって、気液混合液中の気体が液体中に溶解する。
【００４４】
この気体が液体中に溶解した気体溶解液は、回転空間３２の回転に伴って、外部通路４４からポンプ側回転空間３２ａに流入し、回転空間３２に沿って流れて、水車側回転空間３２ｂから流出する。この時、液体（気体溶解液）中に溶解せずに気泡として残った気体が液体から分離、抽出される。従って、水車側回転空間においては、気体溶解液中に気泡は含まれない。そして、水車側回転空間３２ｂから流出した液体（気体溶解液）は、水車１６のランナ２４の回転に伴って、内部通路４８から水車１６の内部に吸込まれ、ランナ２４を通過するときに減圧されると共に、ランナ２４により気体溶解液から力学的エネルギーが回収されて、水車１６の吐出口１６ａから外部に吐出される。吐出口１６ａから外部に吐出された気体溶解液は、例えば過飽和状態にまで気体が溶解された液体として使用される。
【００４５】
ここで、回転空間３２内の外周に邪魔板４２を設け、気体を溶解させた液体が水車１６の入口に短絡しないようにすることで、液体中に気泡として残っている余剰気体を液体から完全に排出することができる。即ち、タンク４６内で気体を溶解した液体は、邪魔板４２によって軸方向に区画されたポンプ側回転空間３２ａに流入して、半径方向の中心側に向かって流れる。このため、この時、液体中に気泡があれば、その気泡には周囲の液体から回転軸心の中心側に向く浮力が作用し、これによって、気泡は回転空間３２の軸心近傍に集まる。その後、液体は、回転空間３２の主軸２６の近傍で折り返し、半径方向外側に向けて流れ、水車側回転空間３２ｂから内部通路４８を経て水車１６側に流出する。水車側回転空間３２ｂを半径方向外側に向かって流れる液体により気泡に加わる抗力の向きは半径方向外向きだが、この抗力の値が浮力よりも小さいので、一旦回転空間３２の中心に集まった気泡は、そこに滞留して下流に向けて流出することはない。
【００４６】
そして、回転空間３２の主軸２６の近傍に集まった気泡（即ち余剰気体）は、連通孔（第１連通部）５２を通ってポンプ１４の上流に戻されて再度循環させられるか、または更に気体排出管（第２連通部）５４を通って外部に排出される。
【００４７】
なお、水車１６のランナ２４の主板３０は、回転空間３２の内の軸心近傍に集まった液体中の気泡を外部に吐出させない役割を果たすため、この主板３０として、内部に貫通孔のない平板状のものが使用される。つまり、この主板３０の特に軸心近傍に穴が貫通していると、液体中に気泡は、その穴を通ってランナ２４の下流に流入し、そのまま出口から吐出されてしまう可能性がある。
【００４８】
この例によれば、ある一定の寸法範囲内で適切な大きさに揃えられた気泡を均一に分散させて混入させた気体混合液を、吸込口１４ａからポンプ（加圧部）１４に供給すれば、液体は、ポンプ１４で素早く加圧されるので、ポンプ１４の出口である高圧下（例えば、タンク４６内）においても、気泡の寸法の均一性、分散の均一性は保たれる。したがって、気体が液体中に溶解し易い環境が形成される。こうしてポンプ１４を出た後、液体中への気体の溶解はどこも均一に進行する。したがって、例えば、気体溶解濃度が相互に異なる液体の混在による、前述したような、気泡の寸法的成長（大きな気泡ができてしまう）などの不具合を良好に抑制できる。
【００４９】
気体の液体に対する量が過剰であり、気泡として気体が液体中に残留した場合には、回転空間３２に形成された気泡分離機構により、液体中の余剰な気体は液体から抽出されて除去される。これにより、水車１６の吐出口１６ａにおいて、気泡がなく気体溶解濃度の高い液体を得ることができる。なお、気体溶解装置の下流に従来の微細気泡発生装置において用いられている多孔質体や金網や多孔板等の減圧のための抵抗体を配置し、気体溶解液を通過させることで、均一な大きさの微細な気泡を得るようにすることもできる。
【００５０】
回転容器３４の絶対静圧分布の一例を、回転容器３４の主軸２６の中心における絶対静圧をほぼ大気圧で０．１ＭＰａ、液体が水で密度ρｆを１０００ｋｇ／ｍ３、回転速度を通常よく用いられる１５００ｒｐｍ及び３０００ｒｐｍとし、式（３）を用いて求めて図３に示す。図３に示すように、回転容器３４内の絶対静圧は、軸中心（回転中心）から外周に向けて急速に高圧になる。したがって、気泡が略均一な大きさで均一に分散して混入された液体の圧力を素早く上昇させることができ、これによって、昇圧後においても、気泡寸法の均一性や分散の均一性を維持した状態で液体を昇圧することができる。
【００５１】
この例において、液体に溶解させることができない余剰空気を、回転空間３２で自動的に液体から抽出して除去し、これによって、吐出口１６ａから、気泡が無く、かつ気体溶解濃度が高い液体を吐出させることができる理由を以下に説明する。
【００５２】
ポンプ（加圧部）１４の入口近傍での気体の混入した液体の静圧の値（ａ）と、ポンプ１４の出口側、例えばタンク４６における静圧の値（ｂ）と、回転空間３２の中で静圧が最小となる部分である軸心近傍での静圧の値（ｃ）と、出口部における静圧の値（ｄ）との相互関係、即ちこれらの４ヶ所における静圧の値（ａ）〜（ｄ）の相互関係を、液体中の余剰気体が外部へ好ましく抽出し排除できるような値に決める。特に、回転空間３２内の主軸２６の近傍での静圧の値（ｃ）の決定が重要である。
【００５３】
次に、液体から分離、抽出した余剰気体を大気中に排出する場合について述べると、ポンプ（加圧部）１４の入口近傍での気体の混入した液体の静圧の値（ａ）と、出口部での静圧の値（ｄ）を大略大気圧に等しくする。また、回転空間３２の中で静圧が最小になるのは、回転空間３２内の回転中心からの半径方向の距離が最小となる位置であることを考慮して、静圧の値（ｃ）が大気圧よりも所望の値だけ高くなるように、回転空間３２における余剰空気抽出口の位置を定める。こうして、余剰空気抽出口の位置が回転空間３２中の最小の静圧となる場所であって、そこの静圧の値が大気圧よりも所望の値だけ高ければ、余剰の気体を余すことなく液体から抽出し除去できる。タンク４６での静圧の値（ｂ）は、出口から吐出される液体中に溶解される気体の溶解濃度が所望の値となるように選べばよいのであって、余剰空気の抽出機能と直接の関係はない。
【００５４】
上記説明において、回転空間３２内での余剰気体を液体から抽出するための位置は、静圧の値（ｃ）が回転空間３２の中で最小となる部分である旨述べたが、一般的には、必ずしも静圧の値（ｃ）が最小となる場所でなくても良い。例えば、ポンプ１４の吸込口１４ａから水車１６の吐出口１６ａに至るまでの液体の流路において、流路を横軸とし縦軸に流路の各位置における静圧の値を採用した２次元のグラフを考えたときに、静圧の値が極小となる部分が（例えば、回転空間を軸方向に２つ直列に配置した場合のように）２箇所以上あれば、そのうち１箇所または複数箇所から液体中の余剰空気を抽出するように構成しても良い。このような場合は、静圧が極小の値となる場所とは言えるが、必ずしも最小の値となる場所ではない。さらに、静圧が回転空間の中で最小または極小となる位置から液体中の余剰気体を抽出するように気体溶解装置を構成すれば、事実上完全に余剰気体を液体から排出できるということから好ましいが、もし吐出口において、吐出液の中に一定の割合で気泡を含んでいることを許すならば、回転空間３２内での余剰気体抽出の位置は、前記の位置に限られないことは勿論である。
【００５５】
上記の説明において、ポンプ（加圧部）１４の入口近傍での静圧の値（ａ）と、水車（減圧部）の出口における静圧の値（ｄ）とが大略大気圧に等しい場合を述べたが、これらの静圧の値が大気圧とは異なった値であっても、回転空間３２で液体中の余剰気体を外部に排出できる原理は同等である。このことは、上記静圧の値（ａ）や（ｄ）が大気圧よりも高い場合に容易に理解される。一方、上記静圧の値（ａ）や（ｄ）が大気圧よりも低い場合においても、外部への余剰気体の排出口を、例えば流量調整弁６２を経由して真空ポンプにより圧力を低く保った容器（図示せず）に接続し、余剰気体を該容器に導き真空ポンプを運転することで、余剰気体の排出を行うことができる。
【００５６】
以上説明したように、この気体溶解装置によれば、気液分離のための制御装置などの機構が必要なく、余剰気体を自動的に気体溶解装置の外部に排出することができるから、気泡が無く所望の気体溶解濃度を有する液体を得ることができ、気体溶解装置の構成も簡素化できる。
【００５７】
この例にあっては、上記説明において回転空間３２内の液体から抽出し除去した余剰気体を、連通孔（第１連通部）５２及び気体排出管（第２連通部）５４を介して、大気中に排出させるか、またはその余剰気体の一部または全部を再度ポンプ１４の入口に戻し液体に混入させることにより、当該気体を液体中に再循環させて溶解させるようにしている。
【００５８】
例えば、液体が水、液体に混入する気体が空気で、空気中の酸素を水に溶解したい場合、窒素より酸素の方が水に溶解しやすいため、ポンプ（加圧部）１４を出た後に水に溶解せずに残っている気体中の酸素の割合は、初期混入時における気体中の酸素の割合より低くなる。このように、気体中の窒素の割合が増すため、液体中の残留気体を再循環させて用いることなく外部に排出し、ポンプ１４の上流で新鮮な空気を水に混入した方が、水中の酸素の溶解は速くなる。一方、例えば、液体に混入する気体が、純酸素、オゾンまたは二酸化炭素のように、高価な気体であったり、大気中に放出しない方が良い気体であったりする場合は、液体中に溶解せずに残っている気体を再度循環させて利用することが望ましい。
【００５９】
この例によれば、気体排出管（第２連通部）５４に設けた流量調整弁６２を開放することで、回転空間３２内の液体から抽出し除去した余剰気体の一部または全部を大気中に排出させ、流量調整弁６２を閉じることで、余剰気体を再度ポンプ１４の入口に戻し液体に混入させることで、上記要請に答えることができる。
【００６０】
次に、この気体溶解装置によれば、動力回収ができるとともに、微細気泡を発生させることを要件としないため、それに関する損失がなく、省エネルギー運転が可能であることを説明する。
【００６１】
ポンプ（加圧部）１４のインペラ２２または水車（減圧部）１６のランナ２４において、ポンプ１４または水車１６に入る流体の単位質量当りの角運動量をＩ１、ポンプ１４または水車１６から出る流体の単位質量当りの角運動量をＩ２とし、回転体（インペラ２２またはランナ２４）の回転角速度をωとすると、流体中の角運動量の変化と回転体が必要な動力Ｌ、及び理論揚程Ｈｔｈの関係から、式（６）が成り立つ。
【数６】
ここに、ρｆは流体の密度、Ｑは流体の体積流量、Ｕ１及びＵ２はそれぞれ回転体の入口及び外周端の周速度、Ｃｕ１及びＣｕ２はそれぞれ回転体の入口及び外周端を通過する流体の周方向速度、ｇは重力加速度である。
【００６２】
下記の例のように、加圧部及び減圧部として回転通路を使用した場合、この回転通路（回転体）の入口部及び最外周部の周速度Ｕ１及びＵ２は次の通りとなる。即ち、回転通路とは、一定の回転軸心のまわりに回転する通路であって、通常、その入口部（流体吸込部）と出口部（流体吐出部）において、通路の中心が回転軸心と同一であり、入口部と出口部との間に、通路の中心が回転軸心から回転半径方向で最も離れた位置（最外周部）がある。
【００６３】
ここで回転軸心、即ち回転中心を中心として回転の半径方向の座標をｒとすると、回転通路の入口部の周速度Ｕ１は、前記入口部での通路の回転軸心に垂直な断面上において、中心から始めて半径ｒまでに通路内を通過する流体の質量流量を半径ｒに対して積分したときに、当該通路断面を通過する流体の全質量流量の半分となる半径における回転通路の周方向速度である。周速度がＵ１となる当該半径の一例を図５においてＲＴ１として示す。
【００６４】
回転通路の最外周部（回転中心から回転半径方向で最も離れた回転通路部）の周速度Ｕ２は、上記の通り回転軸心から最も離れた通路部分の回転軸心に垂直な断面上において、当該断面上に現れた通路の最も回転中心側（例えば図５においてＲ１で示している）から始めて半径ｒまでに断面内を通過する流体の質量流量を半径ｒに対して積分したときに当該断面を通過する流体の全質量流量の半分となる半径における回転通路の周方向速度である。周速度がＵ２となる当該半径の一例を図５においてＲT2として示す。
【００６５】
また図４には、回転通路の入口部及び最外周部それぞれの前記断面上において現れた通路の断面における質量流量の半径ｒに対する積分値が前記両部分共通に説明されている。例えば、回転通路の最外周部について述べると、図４の“通路断面における回転中心側半径”とは図５で示すＲ1であり、同様に“通路断面における回転外周側半径”とはＲ2である。また図４では、前記それぞれの断面において全質量流量の半分となる位置の回転中心からの回転半径方向距離即ち座標ｒの値がＲTとして示されている。従って、回転通路の回転角速度をωとすれば、周速度U１及びU２はそれぞれＲＴ１ω及びＲＴ２ωで示される。
【００６６】
回転通路（回転体）の入口部及び最外周部（回転中心から回転半径方向で最も離れた回転通路部）を通過する流体の周方向速度Ｃｕ１及びＣｕ２は、次の通りとなる。即ち、回転通路の入口部を通過する流体の周方向速度Ｃｕ１は、前記入口部での通路の中心、即ち回転軸心に垂直な断面上において、中心から始めて半径ｒまでに通路内を通過する流体の質量流量を半径ｒに対して積分したときに、当該断面を通過する流体の全質量流量の半分となる半径における回転通路内流体の周方向速度であり、例えば入口で流体に予旋回がなければ、回転通路の入口を通過する流体の周方向速度Ｃｕ１＝０（零）である。回転通路の最外周部（回転中心から回転半径方向で最も離れた回転通路部）を通過する流体の周方向速度Ｃｕ２は、上記の通り回転軸心から最も離れた通路部分の回転軸心に垂直な断面上において、当該断面上に現れた通路の最も回転中心側（例えば図５においてＲ１で示している）から始めて半径ｒまでに断面内を通過する流体の質量流量を半径ｒに対して積分したときに当該断面を通過する流体の全質量流量の半分となる半径における回転通路内流体の周方向速度である。
【００６７】
回転通路は、前記入口部から出口部へと向かう間において、分岐しその後再び合流するように構成しても良く、その場合には前記周速度Ｕ２、流体の周方向速度Ｃｕ２に関しては、分岐したそれぞれの回転通路に対して前記と同様に求めることが出来る。
【００６８】
式（６）において、回転体（インペラ２２またはランナ２４）が必要な動力Ｌが正の場合は、回転体に動力が与えられ、回転体から流体に角運動量が与えられて流体が加圧される。回転体が必要な動力Ｌが負の場合は、流体が回転体に角運動量を与え、回転体により動力が回収されて流体が減圧される。即ち、ポンプ（加圧部）１４のインペラ２２で流体に与えられた角運動量が、流体から角運動量として水車（減圧部）１６のランナ２４に返還される。これは、言い換えれば、ポンプ（加圧部）１４において流体に対して与えられたエネルギーが、流体から水車（減圧部）１６に返還されるということであり、これにより、動力が回収される。
【００６９】
なお、ポンプ１４の下流側であって、水車１６の上流側に、気泡が混入した液体を長時間に亘って高圧状態に維持するためのタンク４６を設けることにより、気体が一層多量に液体中に溶解し、その結果、気体溶解濃度の高い液体を得ることができる。また、タンク４６を経過してもなお液体中に気泡が残っている場合は、回転空間３２に連通する連通孔５２を通して、液体中の気泡が排除され、吐出口１６ａでは気泡のない液体が得られる。
【００７０】
次に、回転空間３２内の液体から抽出、回収された気体をポンプ１４の入口に導き、再度液体中に溶解させるべく循環させる原理を説明する。
先ず、流体の流路において、例えば流路の途中に突き出した物体を設けると、その突き出した物体の背後の圧力が低下する。また、流路を絞っても、即ち流路断面積を減少させることによっても圧力が低下する。そのため、一端が回転空間３２の軸心近傍に開口し、他端がポンプ１４の上流側の流路に突き出した構造物の直後か、あるいはポンプ１４の上流側の流路を絞った所に開口する連通部を設けることで、回転空間３２内の圧力が低い場合でも、ポンプ１４の上流側に位置する連通部の開口部における圧力を回転空間３２内の圧力より下げることができる。
【００７１】
この例によれば、一端が回転空間３２の軸心近傍に開口し、他端がポンプ１４の上流側の絞り部５８に開口する連通孔（第１連通部）５２を設けることで、回転空間３２内の液体に含まれる余剰空気（気泡）を、連通孔５２を通して、減圧されたポンプ１４の上流側に導き、気体循環口６０から放出して、この余剰気体をポンプ１４の上流側の液体に混入させて再度循環させることができる。換言すれば、何度でも繰り返し循環させることが出来る。
【００７２】
この例のように、ターボ形減圧部として水車を用いる場合は、水車のランナの外周端から中心軸近傍に向けて気体が溶解した液体を導いて、すなわちターボ形加圧部の場合とは逆の向きに気体が溶解した液体を導いて、液体の圧力を低下させるときに水車によって従来は回収される事の無かった高圧液体が持っているエネルギーを回収する。このことは、以下の例においても同様である。
【００７３】
図５及び図６は、本発明の他の実施の形態の気体溶解装置の概要を示す断面図である。この例は、加圧部及び減圧部として回転通路を用いている。つまり、この気液溶解装置は、両端の水平部を結ぶ線を回転軸心とした、回転自在な略Ｕ字状の回転通路７０を有し、この回転通路７０の上流側の回転通路を、回転に伴って気体を含む気液混合液に作用する遠心力で気液混合液を加圧する加圧部７２、下流側の回転通路を、回転に伴って気体を溶解させた気体溶解液に作用する遠心力で気体溶解液を減圧させる減圧部７４としている。そして、この加圧部（回転通路）７２と減圧部（回転通路）７４との間に、一対の仕切り壁７６で仕切られ、邪魔板７８で横断面Ｕ字状とした回転空間８０が設けられている。
【００７４】
回転通路７０の回転空間８０と減圧部７４との間に仕切り壁７６を設けることで、回転空間８０内の液体中に含まれの気泡が回転空間８０の外部に吐出されることを防止することができる。
【００７５】
回転通路７０の加圧部７２側の端部は、気体注入部８２を有する吸込管８４に連結され、減圧部７４側の端部は、気体を溶解し減圧部７４で減圧された気体溶解液を吐出す吐出管８６に連結されている。吸込管８４と回転通路７０との間はシール材８８でシールされ、吐出管８６と回転通路７０との間のシール材９０でシールされている。回転通路７０は、その両端の水平部において、一対の軸受９２を介して回転自在に支承されており、またその水平部には、被動歯車または被動プーリ９４が取付けられている。これによって、回転通路７０は、駆動歯車または駆動プーリ（図示せず）の駆動に伴って、被動歯車または被動プーリ９４を介して、両端の水平部を回転軸心として回転する。
【００７６】
更に、回転空間８０の回転軸心の近傍位置で一端を開口し、軸心に沿って吸込管８４の方向に延びて該吸込管８４と回転通路７０との接続部付近で他端が開口する第１連通部としての連通管９６と、外部から吸込管８４の内方に延び、鉤状に屈曲し連通管（第１連通部）９６の開口端に向けて開口する第２連通部としての気体排出管９８が備えられている。この気体排出管９８には、流量調整弁１００が設けられている。
【００７７】
これにより、この例では、気体排出管９８の屈曲部９８ａと吸込管８４との間に、流路の断面積を減少させて背後の圧力を減少させる絞り部１０２が形成され、連通管９６は、この絞り部１０２の背後の圧力が減少した所で開口するようになっており、更に、連通管９６と気体排出管９８との間に気体循環口１０４が設けられている。
【００７８】
この例によれば、回転通路７０の回転に伴って、気体注入部８２から気体を注入した気液混合液（気液混合流体）が吸込管８４から回転通路７０の内部に吸込まれ、加圧部７２に沿って流れる途中で遠心力を受けて加圧され、これによって、気体の液体中への溶解が促進される。つまり、加圧部（回転通路）７２をある回転速度で回転させることにより、その中を流れる液体に発生する遠心力を利用し、加圧部７２で気体を気泡として含む液体の圧力を遠心力により高圧に昇圧させ、気体が液体に溶解しやすくして、高圧中で気体を液体中に溶解させる。そして、気液混合液（気液混合流体）は、回転空間８０内に流入し、回転空間８０に沿って流れる。この時、前述の例とほぼ同様に、液体（気体溶解液）中に溶解せずに気泡として残った気体が液体から分離、抽出され、この分離、抽出された気体は、連通管９６を通して、回転通路７０の入口部に戻されるか、または更に気体排出管９８を通して、外部に排出される。回転空間８０に沿って流れる間で、液体中の気泡が除かれた液体（気体溶解液）は、減圧部７４内に流入し、減圧部７４に沿って流れる途中で、遠心力の作用で減圧され、吐出管８６から外部に吐出される。
【００７９】
このように、加圧部７２及び減圧部７４を備えて一体に回転する回転通路７０を用いることで、加圧時に加圧部（回転通路）７２で与えられた力学的エネルギーの一部が、流体を介して、減圧部（回転通路）７４に返還されるので、動力回収が図れることになる。動力回収は、原理的にいえば、前述の例における、ポンプ（加圧部）１４のインペラ２２あるいは水車（減圧部）１６のランナ２４と同じである。
【００８０】
即ち、加圧部７２では、エネルギーが構造物（回転通路）から液体に伝達され、かつ加圧部７２の回転で生じた遠心力により液体（及び気体）の圧力を上昇させる。これとちょうど反対に、減圧部７４においては、液体から構造物に力学的エネルギーが回収されると同時に、減圧部７４の内圧は、回転半径方向の距離の減少とともに低下する。回転通路７０は、加圧部７２と減圧部７４とが一体に作られているから、前述の例におけるインペラ２２とランナ２４の関係と同様にして、エネルギーの回収ができ、省エネルギー化を図ることができる。
【００８１】
図７は、本発明の更に他の実施の形態の気体溶解装置の概要を示す断面図である。この例は、加圧部として渦流ポンプを、減圧部として回転通路をそれぞれ使用するとともに、加圧部、減圧部及び加圧部と減圧部との間に設けられる回転空間を一体構造としている。つまり、加圧部を構成する渦流ポンプ１１０の羽根車、減圧部を構成する回転通路１１２、及び渦流ポンプ（加圧部）１１０と回転通路（減圧部）１１２との間に配置される回転空間１１４は、モータ１１６の駆動に伴って回転する主軸１１８と一体に回転し、これによって、回転容器１２０が構成されている。
【００８２】
この例において、動力の回収は、流体の主軸１１８の周方向に沿った速度成分を利用して、即ち、回転の角運動量の形で行われるため、回転通路１１２には、半径方向に延びる羽根１２２が備えられ、回転空間１１４にも、半径方向に延びる羽根１２４が設けられている。この羽根１２２，１２４は、回転通路１１２と回転空間１１４を仕切る仕切板１２６の前後両面に設けられ、この仕切板１２６と渦流ポンプ１１０の主板１２８は、回転空間１１４内の羽根１２４によって、互いに連結されている。
【００８３】
渦流ポンプ１１０の吸込口１３０には、図示しない吸込管が連結され、また、渦流ポンプ１１０のポンプケーシング１３２と主軸１１８との間は、シール材１３４でシールされている。ポンプケーシング１３２の開口端部には、回転容器１２０の周囲を包囲する流路ケーシング１３６が連結され、両ケーシング１３２，１３６の連結部もシール材１３８でシールされている。更に、流路ケーシング１３６の内周面の、回転空間１１４の幅方向のほぼ中央に対応する位置に、中空リング状で、回転空間１１４の内方に達する邪魔板１４０が取付けられている。
【００８４】
回転容器１２０と流路ケーシング１３６との間には、渦流ポンプ１１０の吐出口１４２と回転空間１１４を連通させる内部流路１４４と、回転空間１１４と回転通路１１２を連通させる内部流路１４６がそれぞれ設けられている。更に、流路ケーシング１３６の反モータ側端部は、円筒状部１３６ａが形成され、この円筒状部１３６ａに吐出管１４８が連結されている。この連結部も、シール材１５０によりシールされている。
【００８５】
また、回転空間１１４の軸心付近で一端を開口し、渦流ポンプ１１０の吸込口１３０で他端を開口する第１連通部１５２が備えられ、この第１連通部１５２に流量調整弁１５４が設けられている。更に、気体を外部に排気する第２連通部１５６が第１連通部１５２から分岐して備えられ、この第２連通部１５６にも流量調整弁１５８が設けられている。
【００８６】
この例においては、気泡を含んだ液体は、渦流ポンプ１１０によって圧力が上げられ気体の液体中への溶解が進行しながら回転空間１１４に入る。前述のように、回転空間１１４に入った液体に溶解せずに気泡のまま残留した気体は、回転空間１１４の軸心近傍に集められ、第１連通部１５２から渦流ポンプ１１０内に戻されるか、または第１連通部１５２及び第２連通部１５６から外部に排出される。そして、気体を溶解した圧力の高い液体は、回転通路１１２を経由して減圧されながら、吐出管１４８に至る。この減圧過程で、液体は、回転通路１１２をその一部とする回転容器１２０に力学的エネルギーを与えるので、エネルギー回収をすることができる。
【００８７】
なお、上記減圧過程での力学的エネルギーの回収は、回転角運動量の形で行われるので、回転通路（減圧部）１１２に、回転の半径方向に延びるように形成された羽根１２２を有することが好ましい。
【００８８】
この例では、回転空間１１４と回転通路（減圧部）１１２の２つの部分において、図５及び図６に示す例の回転空間８０と回転通路（減圧部）７４と同様な作用効果を得ることが出来る。即ち、加圧部の役割は、図５及び図６に示す例では回転通路７２が担っているのに対し、図７に示す例では渦流ポンプ１１０が担っている点において異なっているものの、回転空間において液体から余剰気体としての気泡を分離、抽出できること、回転通路（減圧部）において力学的エネルギーが回収できることの原理は、図５及び図６に示す例と同様である。ここで、回転通路（減圧部）１１２及び回転空間１１４の内部には、半径方向に伸び、周方向に複数形成された羽根１２２，１２４があるが、この羽根１２２，１２４で仕切られた、軸垂直平面において扇状をした空間の一つ一つが、図５及び図６に示す例における回転通路（減圧部）及び回転空間に相当する。換言すれば、図７に示す例は、図５及び図６に示す回転通路が回転軸心を共通としてそのまわりに複数個集合したものと考えることもできる。
【００８９】
また、この例では、流量調整弁１５４，１５８をそれぞれ設けた第１連通部１５２と第２連通部１５６を備えることで、回転空間１１４内の液体に含まれる余剰気体を渦流ポンプ１１０に戻して循環させる流量を調整したり、この余剰気体を外部大気中に排出する流量を調整したりできるようにしている。つまり、第１連通部１５２の回転空間１１４側開口部の圧力が外部の圧力（通常は大気圧）よりも高ければ、流量調整弁１５４，１５８を開閉することで、回転空間１１４内の液体に含まれる余剰気体を渦流ポンプ１１０に戻したり、外部大気中に排出する流量を調整したりできる。第１連通部１５２の回転空間１１４側開口部の圧力が大気圧以下のときは、第２連通部１５６を真空ポンプに接続することで、余剰空気を外部に排出させることができる。なお、第１連通部１５２及び第２連通部１５６の一方に流量調整弁を設けるようにしてもよい。
【００９０】
図８乃至図１０は、本発明の更に他の実施の形態の気体溶解装置の概要を示す。この例は、加圧部を渦流ポンプで、減圧部を水車でそれぞれ構成し、渦流ポンプに回転空間を一体に設けている。更に、渦流ポンプの主軸と水車の主軸を別体として、ベルトを介して、両主軸を同時に回転させるようにしている。
【００９１】
つまり、加圧部としての渦流ポンプ２００の主軸２０２は、モータ２０４の駆動に伴って回転し、ケーシング２０６に設けた吸込口２０８から渦流ポンプ２００の内部に吸込んだ気液混合流体を加圧するようになっており、この渦流ポンプ２００のケーシング２０６の内部に位置して、渦流ポンプ２００の吐出口２１０に連通する回転空間２１２が設けられている。この回転空間２１２の内部には、主軸２０２と一体に回転する羽根２１４が放射状に配置され、主軸２０２とケーシング２０６との間はシール材２１６によりシールされている。
【００９２】
一方、減圧部を構成する水車２２０は、主軸２２２の回転に伴って、羽根２２４を有するランナ２２６が回転するように構成されており、渦流ポンプ２００の主軸２０２に取付けた駆動プーリ２２８と水車２２０の主軸２２２に取付けた従動プーリ２３０との間にベルト２３２が掛け渡されている。これにより、モータ２０４の回転に伴って、渦流ポンプ２００の主軸２０２と水車２２０の主軸２２２が同時に回転する。水車２２０の主軸２２２とケーシング２３４との間はシール材２３６でシールされ、水車２２０で減圧された液体（気体溶解液）は、水車２２０の吐出口２４０から外部に吐出されて利用される。
なお、歯車やチェーンなどを介して渦流ポンプ２００の主軸２０２と水車２２０の主軸２２２との間で回転トルクの伝達をするように構成してもよい。
【００９３】
渦流ポンプ２００のケーシング２０６に設けられた、回転空間２１２の下流側の吐出口２４２と水車２２０の吸込口２４４は、外部通路２４６で連通されている。また回転空間２１２の軸心付近で一端を開口し、渦流ポンプ２００の吸込口２０８で他端を開口する第１連通部２５０が備えられ、この第１連通部２５０に流量調整弁２５２が設けられている。更に、気体を外部に排気する第２連通部２５４が第１連通部２５０から分岐して備えられ、この第２連通部２５４にも流量調整弁２５６が設けられている。
【００９４】
この例の回転空間２１２では、半径方向外側から気泡を含む液体を該回転空間２１２内に導き、気泡のみを回転空間２１２の軸心の近傍に集めるようにしている。即ち、この例では、回転空間２１２内において、液体に含まれる気泡に半径方向中心向きに大きな浮力が作用するため、気泡は、軸心に向かって集まってくる。このようにして、余剰な気泡を除去した液体のみが、外部通路２４６を経由してランナ２２６を備えた水車２２０に流入し、力学的エネルギーが水車２２０に与えられるとともに、液体自身は減圧されて吐出口２４０から吐出される。なお、吐出口２４０の下流に多孔質体や金網や多孔板等を設けて気体が溶解した液体を通過させることにより、微細な気泡を得ることが出来ることは勿論である。
【００９５】
この例のように、渦流ポンプ（加圧部）２００の下流側に回転空間２１２を該渦流ポンプ２００と一体に設けた場合、回転空間２１２を通過して吐出される気体を溶解した液体を、ランナ２２６を有する水車２２０を備えた減圧部に導いて動力回収を行った後、気体溶解装置の外部に取り出すことが可能になる。この場合、回転空間２１２中の流体の動きとして、気体を溶解した液体の大部分は回転空間２１２の中心に向かって進むことは無く、一方、液体に溶解せず気体のまま存在していた気泡が回転空間２１２の中心に向かって移動する。これは、気泡には回転空間２１２の半径方向中心側に向けて強い浮力が働き、気泡は半径方向中心向きに移動するからである。このようにして、液体中に残留していた気泡が抽出された後に液体が外部に吐出されるので、気泡を含まない余剰気体を分離した液体を得ることができる。因みに、こうして得られた気体を溶解する液体を、多孔質体や金網や多孔板等を通過させるように流路を構成すれば、従来よりも微細な気泡を発生させることもできる。
【００９６】
回転空間２１２内に流入した液体からから抽出、回収された気体は、前述と同様に、第１連通部２５０から渦流ポンプ２００内に戻されるか、または第１連通部２５０及び第２連通部２５４から外部に排気される。
【００９７】
図１１乃至図１３は、本発明の更に他の実施の形態の気体溶解装置を示す。この例は、加圧部を渦流ポンプで、減圧部を水車でそれぞれ構成し、水車に回転空間を一体に設けている。更に、渦流ポンプの主軸と水車の主軸を別体として、ベルトを介して、両主軸が同時に回転するようにしている。
【００９８】
つまり、加圧部としての渦流ポンプ３００の主軸３０２は、モータ３０４の駆動に伴って回転し、ケーシング３０６に設けた吸込口３０８から渦流ポンプ３００の内部に吸込んだ気液混合流体を加圧し、この加圧して気体を溶解させた液体（気体溶解液）を吐出口３１０から回転空間３３２に向けて吐出すようになっている。渦流ポンプ３００の主軸３０２とケーシング３０６との間はシール材３１２によりシールされている。
【００９９】
一方、減圧部を構成する水車３２０は、主軸３２２の回転に伴って、羽根３２４を有するランナ３２６が回転するように構成されており、このケーシング３２８内のランナ３２６の上流側に、放射状に延びて主軸３２２の回転に伴って回転する羽根３３０を有する回転空間３３２が設けられている。水車３２０の主軸３２２とケーシング３２８との間はシール材３３４でシールされている。そして、渦流ポンプ３００の主軸３０２に取付けた駆動プーリ３３６と水車３２０の主軸３２２に取付けた従動プーリ３３８との間にベルト３４０が掛け渡され、これにより、モータ３０４の回転に伴って、渦流ポンプ３００の主軸３０２と水車３２０の主軸３２２が同時に回転する。水車３２０の主軸３２２とケーシング３２８との間はシール材３３４でシールされ、水車３２０で減圧された液体（気体溶解液）は、水車３２０の吐出口３４４から外部に排出されて利用される。
なお、歯車やチェーンなどを介して、渦流ポンプ３００の主軸３０２と水車３２０の主軸３２２との間で回転トルクの伝達をするように構成してもよい。
【０１００】
渦流ポンプ３００のケーシング３０６に設けられた吐出口３１０と水車３２０のケーシング３２８に設けられた吸込口３４６は、外部通路３４８で連通されている。また回転空間３３２の軸心付近で一端を開口し、水車３２０の主軸３２２の内部を貫通して延びて、渦流ポンプ３００の吸込口３０８で他端を開口する第１連通部３５０が備えられ、この第１連通部３５０に流量調整弁３５２が設けられている。更に、気体を外部に排気する第２連通部３５４が第１連通部３５０から分岐して備えられ、この第２連通部３５４にも流量調整弁３５６が設けられている。
【０１０１】
この例における回転空間３３２は、図８乃至図１０で示す例と同様な作用により、気泡のみを軸心の近傍に集めて抽出することができる。このため、渦流ポンプ（加圧部）３００で加圧された後であっても、液体に溶解することなく残留した気泡があるとき、その気泡は、第１連通部３５０を経て渦流ポンプ３００に戻されるか、または第１連通部３５０及び第２連通部３５４を経て外部に排出される。この例において、外部通路３４８を経て回転空間３３２及び水車３２０に流入する液体は、先ず回転空間３３２の入口を経由する。このため、回転空間３３２内に流入した液体中に残留していた気泡は、回転空間３３２の中心に向かって流れることになり、ランナ３２６を備えた水車３２０の吸込口３５８に至った液体には気泡が含まれていない。そして、この液体が水車３２０で力学的エネルギーを該水車３２０に与えつつ、自身は減圧されて吐出口３４４より吐出される。
【図面の簡単な説明】
【０１０２】
【図１】静止している液体中に気泡がある場合の気泡径及び気泡体積の時間的変化を示すグラフである。
【図２】本発明の実施の形態の気体溶解装置の概要を示す断面図である。
【図３】液体が角速度一定で回転した場合の半径方向の絶対静圧分布を示すグラフである。
【図４】回転軸心から全質量流量の半分となる半径までの回転半径方向の距離を示す図である。
【図５】本発明の他の実施の形態の気体溶解装置の概要を示す断面図である。
【図６】図５のＡ−Ａ線断面図である。
【図７】本発明の更に他の実施の形態の気体溶解装置の概要を示す断面図である。
【図８】本発明の更に他の実施の形態の気体溶解装置の概要を示す断面図である。
【図９】図８のＡ−Ａ線断面図である。
【図１０】図８のＢ−Ｂ線断面図である。
【図１１】本発明の他の実施の形態の気体溶解装置の概要を示す断面図である。
【図１２】図１１のＡ−Ａ線断面図である。
【図１３】図１１のＢ−Ｂ線断面図である。
【符号の説明】
【０１０３】
１０ 気体注入部
１２ 吸込管
１４ ポンプ（加圧部）
１６ 水車（減圧部）
２２ インペラ
２４ ランナ
２６ 主軸
３２ 回転空間
３２ａ ポンプ側回転空間
３２ｂ 水車側回転空間
３４ 回転容器
４２ 邪魔板
４６ タンク
４８ 内部通路
５２ 連通孔（連通部）
５４ 気体排出管（連通部）
５６ 外管
５８ 絞り部
６０ 気体循環口
６２ 流量調整弁
７０ 回転通路
７２ 加圧部（回転通路）
７４ 減圧部（回転通路）
７８ 邪魔板
８０ 回転空間
８２ 気体注入部
８４ 吸込管
８６ 吐出管
９６ 連通管（連通部）
９８ 気体排出管（連通部）
１０４ 気体循環口
１１０ 渦流ポンプ（加圧部）
１１２ 回転通路
１１４ 回転空間
１２０ 回転容器
１３０ 吸込口
１３２ ポンプケーシング
１３６ 流路ケーシング
１４０ 邪魔板
１４２ 吐出口
１４８ 吐出管
１５２、１５６ 連通部
２００ 渦流ポンプ（加圧部）
２０８ 吸込口
２１０ 吐出口
２１２ 回転空間
２２０ 水車（減圧部）
２２６ ランナ
２４０ 吐出口
２４６ 外部通路
２５０，２５４ 連通部
３００ 渦流ポンプ（加圧部）
３０８ 吸込口
３１０ 吐出口
３２０ 水車（減圧部）
３２６ ランナ
３３２ 回転空間
３４４ 吐出口
３４６ 吸込口
３４８ 外部通路
３５０，３５４ 連通部
３５８ 吸込口
【特許請求の範囲】
【請求項１】
通路内を流動する液体に気体を注入する気体注入部と、
前記気体注入部の下流側に配置され、前記液体に気体を注入した気液混合液に圧力を加える加圧部と、
前記加圧部の下流側に配置された回転空間と、
前記回転空間の回転軸心の近傍位置と外部空間及び／または前記加圧部の上流側の通路とを連通する連通部を有することを特徴とする気体溶解装置。
【請求項２】
通路内を流動する液体に気体を注入する気体注入部と、
前記気体注入部の下流側に配置され、前記液体に気体を注入した気液混合液に圧力を加える加圧部と、
前記加圧部の下流側に配置された回転空間と、
前記回転空間の回転軸心の近傍位置と外部空間及び／または前記加圧部の上流側の通路とを連通する連通部と、
前記回転空間の下流側に配置され、前記加圧部に加えられる力学的エネルギーの一部を回収しながら、前記気体を溶解させた気体溶解液の圧力を減少させる減圧部を有することを特徴とする気体溶解装置。
【請求項３】
前記加圧部として、インペラを備えたポンプ、渦流ポンプまたは回転通路を用いることを特徴とする請求項１または２に記載の気体溶解装置。
【請求項４】
前記減圧部として、ランナを備えた水車または回転通路を用いることを特徴とする請求項２に記載の気体溶解装置。
【請求項５】
前記回転空間の外周側に、前記加圧部の出口側の通路から前記減圧部の入口側の通路へ液体が短絡して流れることを防止する邪魔板を設けたことを特徴とする請求項２に記載の気体溶解装置。
【請求項６】
前記回転空間の回転軸心の近傍位置と前記加圧部の上流側の通路とを連通する連通部を有し、該連通部は、前記加圧部の上流側の通路に突き出した構造物の直後、または前記加圧部の上流側において通路の断面積を減少させた所で開口していることを特徴とする請求項１または２に記載の気体溶解装置。
【請求項７】
前記回転空間は、該回転空間の上流に配置された加圧部と一体に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の気体溶解装置。
【請求項８】
前記回転空間は、該回転空間の下流に配置された減圧部と一体に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の気体溶解装置。
【請求項９】
前記連通部は、前記回転空間の回転軸心の近傍位置と外部空間、及び前記回転空間の回転軸心の近傍位置と前記加圧部の上流側の通路とをそれぞれ連通するように設けられ、これらの連通部の少なくとも一方に流量調整弁を設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の気体溶解装置。
【請求項１】
通路内を流動する液体に気体を注入する気体注入部と、
前記気体注入部の下流側に配置され、前記液体に気体を注入した気液混合液に圧力を加える加圧部と、
前記加圧部の下流側に配置された回転空間と、
前記回転空間の回転軸心の近傍位置と外部空間及び／または前記加圧部の上流側の通路とを連通する連通部を有することを特徴とする気体溶解装置。
【請求項２】
通路内を流動する液体に気体を注入する気体注入部と、
前記気体注入部の下流側に配置され、前記液体に気体を注入した気液混合液に圧力を加える加圧部と、
前記加圧部の下流側に配置された回転空間と、
前記回転空間の回転軸心の近傍位置と外部空間及び／または前記加圧部の上流側の通路とを連通する連通部と、
前記回転空間の下流側に配置され、前記加圧部に加えられる力学的エネルギーの一部を回収しながら、前記気体を溶解させた気体溶解液の圧力を減少させる減圧部を有することを特徴とする気体溶解装置。
【請求項３】
前記加圧部として、インペラを備えたポンプ、渦流ポンプまたは回転通路を用いることを特徴とする請求項１または２に記載の気体溶解装置。
【請求項４】
前記減圧部として、ランナを備えた水車または回転通路を用いることを特徴とする請求項２に記載の気体溶解装置。
【請求項５】
前記回転空間の外周側に、前記加圧部の出口側の通路から前記減圧部の入口側の通路へ液体が短絡して流れることを防止する邪魔板を設けたことを特徴とする請求項２に記載の気体溶解装置。
【請求項６】
前記回転空間の回転軸心の近傍位置と前記加圧部の上流側の通路とを連通する連通部を有し、該連通部は、前記加圧部の上流側の通路に突き出した構造物の直後、または前記加圧部の上流側において通路の断面積を減少させた所で開口していることを特徴とする請求項１または２に記載の気体溶解装置。
【請求項７】
前記回転空間は、該回転空間の上流に配置された加圧部と一体に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の気体溶解装置。
【請求項８】
前記回転空間は、該回転空間の下流に配置された減圧部と一体に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の気体溶解装置。
【請求項９】
前記連通部は、前記回転空間の回転軸心の近傍位置と外部空間、及び前記回転空間の回転軸心の近傍位置と前記加圧部の上流側の通路とをそれぞれ連通するように設けられ、これらの連通部の少なくとも一方に流量調整弁を設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の気体溶解装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２００７−２０３１８８（Ｐ２００７−２０３１８８Ａ）
【公開日】平成１９年８月１６日（２００７．８．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２５００６（Ｐ２００６−２５００６）
【出願日】平成１８年２月１日（２００６．２．１）
【出願人】（００００００２３９）株式会社荏原製作所 (1,477)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年８月１６日（２００７．８．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年２月１日（２００６．２．１）
【出願人】（００００００２３９）株式会社荏原製作所 (1,477)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]